Die unterschiedliche Brechung von Licht verschiedener Farben also unterschiedlicher Wellenlängen beruht auf dem Phänomen der Dispersion. Dispersion beschreibt die Eigenschaft eines Materials Licht verschiedener Wellenlängen unterschiedlich stark zu brechen. Dabei wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes Licht.
Um die Ursache dafür zu verstehen muss man sich die Wechselwirkung von Licht mit Materie genauer anschauen. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen die sich im Vakuum mit einer dauerhaften Geschwindigkeit von etwa 300․000 Kilometern pro Sekunde ausbreiten. Wenn Licht nun auf ein Material trifft wird es durch die Atome oder Moleküle im Material beeinflusst.
In einem Medium » ebenso wie zum Beispiel Glas oder Wasser « bewegen sich die Lichtwellen langsamer als im Vakuum. Dies liegt daran – dass die Atome oder Moleküle im Medium auf die Lichtwellen reagieren und diese absorbieren und wieder abstrahlen. Der Brechungsindex eines Materials gibt an um wie viel das Licht im Material gebremst wird. Der Brechungsindex hängt von der Dichte und der elektromagnetischen Wechselwirkung der Atome oder Moleküle im Material ab.
Bei Licht unterschiedlicher Wellenlängen (Farben) erfolgt die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie jedoch unterschiedlich. Kurzwelliges blaues Licht hat eine höhere Frequenz als langwelliges rotes Licht. Ein höherer Frequenzgehalt bedeutet eine größere Energie des Lichts. Dadurch werden die Atome oder Moleküle im Material stärker angeregt und reagieren intensiver auf das blaue Licht.
Die stärkere Wechselwirkung führt zu einer größeren Ablenkung des Lichts, also einer stärkeren Brechung. Dies erklärt warum blaues Licht stärker gebrochen wird als rotes Licht. In Bezug auf den Brechungsindex bedeutet dies, dass der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge zunimmt.
Um den Brechungsindex bei verschiedenen Frequenzen messen zu können, bietet sich die Messung der Permittivität an. Die Permittivität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, elektrische Felder zu durchdringen. Sie hängt mit der relativen Dielektrizitätskonstante des Materials zusammen die wiederum mit dem Brechungsindex verknüpft ist.
Eine Möglichkeit den Brechungsindex bei verschiedenen Frequenzen zu messen besteht darin, den Brechungswinkel mit verschiedenen Lasern unterschiedlicher Wellenlänge zu messen. Dabei kann man beobachten – dass der Brechungsindex wellenlängenabhängig ist.
Insgesamt lässt sich also sagen: Dass die unterschiedliche Brechung von rotem und blauem Licht auf die unterschiedlichen Wechselwirkungen mit den Atomen oder Molekülen im Material zurückzuführen ist. Die genaue Messung des Brechungsindex bei verschiedenen Frequenzen erfordert jedoch spezielle Messmethoden wie die Messung der Permittivität oder die Messung des Brechungswinkels mit verschiedenen Laserwellenlängen.
Warum wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes?
Warum wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes und wie kann man den Brechungsindex bei verschiedenen Frequenzen messen?