Brechungsindex

2025-03-27T08:41:22Z

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[[Datei:Snells law wavefronts.gif|mini|225px|Von einem Punkt ausgehende Wellenfronten. Im unteren Medium breiten sich die Wellenfronten langsamer aus. Das ändert den Normalenvektor der Wellenfront, was einer Brechung eines Lichtstrahls entspricht.]]
Der '''Brechungsindex''', auch '''Brechzahl''' oder '''optische Dichte''', seltener '''refraktiver Index''', früher auch '''Brechungszahl''' genannt, ist eine [[Optik|optische]] [[Materialeigenschaft]]. Er ist das Verhältnis der [[Wellenlänge]] des Lichts im [[Vakuum]] zur Wellenlänge im Material, und damit auch der [[Phasengeschwindigkeit]] des Lichts im Vakuum zu der im Material. Der Brechungsindex ist eine [[Größe der Dimension Zahl]], und er ist im Allgemeinen von der [[Frequenz]] des Lichts abhängig, was [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] genannt wird.

An der [[Grenzfläche]] zweier [[Ausbreitungsmedium|Medien]] unterschiedlicher Brechungsindizes wird Licht [[Brechung (Physik)|gebrochen]] und [[Reflexion (Physik)|reflektiert]]. Dabei nennt man das Medium mit dem höheren Brechungsindex das ''optisch dichtere''.

Beachte, dass mit „optische Dichte“ zuweilen auch ein Maß für die [[Extinktion (Optik)|Extinktion]] bezeichnet wird.

== Physikalische Grundlagen ==
[[Datei:Fresnel equations - reflectance (DE).svg|mini|hochkant=1.2|Einfluss des komplexen Brechungsindex eines Materials <math>n + \mathrm{i} k</math> auf das Reflexionsverhalten eines Lichtstrahls beim Auftreffen auf die Grenzfläche Luft/Material]]
[[Datei:Komplexe Brechzahl von Silicium (300 K).svg|mini|hochkant=1.2|Verlauf des wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindex im visuellen Bereich für [[Halbleiter]] mit [[Bandstruktur|Bandübergängen]] in diesem Bereich]]

Die Bezeichnung „Brechungsindex“ kommt vom Begriff [[Brechung (Physik)|Brechung]] und seinem Auftreten im [[Snelliussches Brechungsgesetz|Snelliusschen Brechungsgesetz]]. Der Brechungsindex <math>n</math> ist eine [[Größe der Dimension Zahl]]. Er gibt das Verhältnis der [[Lichtgeschwindigkeit|Vakuumlichtgeschwindigkeit]] <math>c_0</math> zur [[Ausbreitungsgeschwindigkeit]] <math>c_{\mathrm{M}}</math> des Lichts im Medium an:

:<math>n = \frac{c_0}{c_{\mathrm{M}}}</math>

=== Komplexer Brechungsindex ===
Beschreibt man die zeitliche und räumliche Ausbreitung einer [[elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Welle]] der [[Kreisfrequenz]] <math>\omega</math> mit Hilfe der Wellengleichung

:<math> E(t,x) = E\; \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\big(\omega t - \frac{\omega}{c} x \boldsymbol{n}\big)}</math>,

so stellt man fest, dass man sowohl den klassischen Brechungsindex als auch die Dämpfung der Welle in einem [[Komplexe Zahl|komplexwertigen]] Brechungsindex <math>\boldsymbol{n} = n_{\mathrm{r}} + \mathrm i \, n_{\mathrm{i}}</math> vereinen und mittels einer Gleichung sowohl das zeitliche als auch das räumliche Fortschreiten der Welle und deren [[Absorption (Physik)|Absorption]] beschreiben kann. Der reellwertige Anteil <math>n_{\mathrm{r}}</math>, der meist größer als 1 ist, verkürzt die Wellenlänge im Medium, <math>E(x) = \mathrm{e}^{-\mathrm i\big(-\frac{\omega}{c} x \, n_{\mathrm{r}}\big)} = \mathrm{e}^{\,\mathrm i\frac{\omega}{c} x \, n_{\mathrm{r}}}</math>, der komplexwertige Anteil <math>n_{\mathrm{i}}</math> dämpft die Welle <math>E(x) = \mathrm{e}^{-\mathrm i\big(-\frac{\omega}{c} x \,\mathrm i n_{\mathrm{i}}\big)} = \mathrm{e}^{-\frac{\omega}{c} x \, n_{\mathrm{i}}} </math>.

Hierbei sind unterschiedliche, gleichwertige Darstellungen für den komplexwertigen Brechungsindex üblich:
* als ''Summe'' von Realteil und dem mit der imaginären Einheit <math>\mathrm{i}</math> multiplizierten Imaginärteil einer komplexen Zahl:<ref>{{Literatur |Autor=[[Eugene Hecht]] |Titel=Optik |Verlag=Oldenbourg Verlag |Datum=2005 |ISBN=3-486-27359-0 |Kapitel=Kapitel 4.8 |Seiten= |Online={{Google Buch |BuchID=UmkVTxEv6jAC |Seite=247}}}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=[[Charles Kittel]] |Titel=Einführung in die Festkörperphysik |Verlag=Oldenbourg Wissenschaftsverlag |Datum=2005 |ISBN=3-486-57723-9}}</ref>
*: <math>\boldsymbol{n} = n_{\mathrm{r}} + \mathrm i \, n_{\mathrm{i}}</math> oder
*: <math>\boldsymbol{n} = n' + \mathrm i \, n''</math> oder
*: <math>\boldsymbol{n} = n + \mathrm i \, K</math>
* als ''Differenz'' von Realteil und dem mit <math>\mathrm{i}</math> multiplizierten Imaginärteil einer komplexen Zahl:<ref name="feynman-absorption">[[Richard Feynman]], [[Robert B. Leighton]], [[Matthew Sands]]: ''[[Vorlesungen über Physik]].'' Band 1, Kapitel 31-4 ({{Google Buch |BuchID=bxwj4KdqItMC |Seite=427}}).</ref><ref>[[Wolfgang Demtröder]]: ''Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik''. Abschnitt 8.3.2 ({{Google Buch |BuchID=AtDxWU39CTMC |Seite=233}}).</ref><ref name="bergmannschaefer" />
*: <math>\boldsymbol{n} = n_{\mathrm{r}} - \mathrm i \, k</math> oder
*: <math>\boldsymbol{n} = n' - \mathrm i \, n''</math>
* als ''Produkt'' aus dem reellen Brechungsindex <math>n</math> und einer komplexen Zahl:<ref name="bergmannschaefer">[[Ludwig Bergmann]], [[Clemens Schaefer (Physiker)|Clemens Schaefer]]: ''Lehrbuch der Experimentalphysik: Optik''. Kapitel 2.6, ''Absorption von Strahlung.'' ({{Google Buch |BuchID=uS9EYEbLsscC |Seite=247}}).</ref>
*: <math>\boldsymbol{n} = n \left( 1 - \mathrm i \, \kappa \right)</math>
Das in einigen Darstellungen enthaltene Minuszeichen vor dem Imaginärteil wird gewählt, damit der Imaginärteil (<math>n_{\mathrm{i}}</math>, <math>n''</math> oder <math>K</math> bzw. <math>k</math>) bei absorbierendem Material ein positives [[Vorzeichen (Zahl)|Vorzeichen]] bekommt.<ref name="feynman-absorption" /> Dieser Imaginärteil wird [[Extinktionskoeffizient #Optik|Extinktionskoeffizient]] oder ''Absorptionsindex'' genannt.<ref>{{Literatur |Autor=Mark Fox |Titel=Optische Eigenschaften von Festkörpern |Verlag=Oldenbourg Verlag |Datum=2012 |ISBN=978-3-486-71240-7 |Online={{Google Buch |BuchID=o-1IjmRpGWUC |Seite=7 |Hervorhebung=permittivität+imaginärteil+extinktionskoeffizient+absorptionsindex}}}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Agnes Ott |Titel=Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung: Prozessverständnis und Schichtcharakterisierung |Verlag=Herbert Utz Verlag |Datum=2009 |ISBN=978-3-8316-0959-8 |Online={{Google Buch |BuchID=Piz9w6snGDYC |Seite=26 |Hervorhebung=permittivität+imaginärteil+extinktionskoeffizient+absorptionsindex}}}}</ref> Davon abweichend bezeichnen Autoren, die die Darstellung als Produkt verwenden, die Größe <math>\kappa</math>, also den Imaginärteil geteilt durch <math>n</math>, als [[Absorptionsindex]].<ref name="bergmannschaefer" />

Sowohl der Realteil als auch der Imaginärteil des Brechungsindex sind, wenn sie ungleich 1 sind, von der [[Frequenz]] und damit von der Wellenlänge abhängig. Dieser als [[Dispersion (Physik)|Dispersion]] bezeichnete Effekt ist unvermeidlich und ermöglicht die Zerlegung von weißem Licht in seine [[Spektralfarbe]]n an einem [[Prisma (Optik)|Prisma]]. Die Frequenzabhängigkeit des Brechungsindex in Materie kann recht gut über das Modell des [[Lorentz-Oszillator]]s beschrieben werden.

Da die Reaktion eines optischen Mediums auf eine elektromagnetische Welle kausal sein muss, ist der komplexwertige Brechungsindex eine [[meromorphe Funktion]], Real- und Imaginärteil sind über die [[Kramers-Kronig-Beziehungen]] verkoppelt.

==== Anisotroper Brechungsindex ====
In [[anisotrop]]en Medien ist der Brechungsindex kein Skalar, sondern ein [[Tensor]] zweiter Stufe.
[[Wellenvektor]] und Ausbreitungsrichtung stimmen dann nicht mehr überein.

==== Doppelbrechung ====
Ist der Brechungsindex von der [[Polarisation]] (und damit zwangsweise auch von der Richtung) abhängig, spricht man von [[Doppelbrechung]].

==== Verknüpfung mit Permittivität und Permeabilität ====
Der komplexe Brechungsindex ist mit der [[Permittivitätszahl]] (dielektrische Funktion) <math>\varepsilon_{\mathrm{r}}</math> und der [[Permeabilitätszahl]] <math>\mu_{\mathrm{r}}</math> verknüpft:

:<math> \boldsymbol n = \sqrt{\varepsilon_{\mathrm{r}} \cdot \mu_{\mathrm{r}}}</math>

Dabei sind alle Größen im Allgemeinen komplex und frequenzabhängig. Permittivitäts- und Permeabilitätszahl sind Näherungen, die sich je nach System besser oder schlechter zur Beschreibung des [[Polarisation (Elektrizität)|Polarisierungs-]] und des [[Magnetisierung]]s-Effekts eignen.

Die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes eines Materials lässt sich über die [[elektrische Suszeptibilität]] theoretisch ermitteln. Diese Größe erfasst die Beiträge der verschiedenen Mechanismen im Material zu seinen Eigenschaften und mündet in der [[Permittivität #Komplexwertige relative Permittivität|komplexen Permittivität]]. Im Fall von nichtmagnetischem Material ist <math>\mu_\mathrm r \approx 1</math>, und der komplexe Brechungsindex kann direkt aus Real- (<math>\varepsilon_1</math>) und Imaginärteil (<math>\varepsilon_2</math>) der Permittivitätszahl angegeben werden:

:<math>\boldsymbol n \approx \sqrt{\varepsilon_\mathrm r } = \sqrt{\varepsilon_{1} + \mathrm i \varepsilon_{2}}</math>

Durch Vergleich mit dem komplexen Brechungsindex in den beiden o. g. Darstellungen 1 und 2 (Summe bzw. Differenz) kann man die Größen <math>n</math> und <math>k</math> berechnen:

:<math>n^2 = \frac{1}{2} \left(\sqrt{{\varepsilon_1}^2 + {\varepsilon_2}^2} + \varepsilon_1\right)</math>

:<math>k^2 = \frac{1}{2} \left(\sqrt{{\varepsilon_1}^2 + {\varepsilon_2}^2} - \varepsilon_1\right)</math>

==== Brechungsindex für Röntgenstrahlung ====
Das [[Lorentz-Oszillator]]-Modell beschreibt ein an den Atomrumpf gebundenes Elektron, welches durch ein elektrisches Feld zu harmonischen Schwingungen angeregt wird. Das Modell wird verwendet, um die frequenzabhängige [[elektrische Polarisation]] eines Festkörpers und damit seine [[Permittivität]] <math>\varepsilon_\mathrm{r}(\omega)</math> mathematisch zu beschreiben. Mit der [[Elektronendichte]] <math>N</math>, der [[Elementarladung]] <math>q=\text{1,602}\cdot10^{-19}\text{ C}</math>, der [[elektrische Feldkonstante|elektrischen Feldkonstante]] <math>\varepsilon_0=\text{8,854}\cdot10^{-12}\text{ Fm}^{-1}</math> und der Elektronenmasse <math>m=\text{9,109}\cdot10^{-31}\text{ kg}</math> lautet die komplexe Permittivität <math>\varepsilon_\mathrm{r}(\omega)</math> nach dem Lorentz-Oszillator-Modell<ref>{{Literatur |Autor=[[Torsten Fließbach]] |Titel=Elektrodynamik – Lehrbuch zur Theoretischen Physik II |Auflage=6. |Verlag=Springer |Ort=Berlin, Heidelberg, New York |Datum=2012 |ISBN=978-3-827-43035-9 |Seiten=284}}</ref>:
:<math>\varepsilon_\mathrm{r}(\omega)=1+ \frac{N q^2}{\varepsilon_0 m} \cdot\frac{1}{\omega_1^2 - \omega^2 - \mathrm i \gamma \omega}</math>
Dabei ist <math>\omega_1^2 = \omega_0^2 - N q^2/ \varepsilon_0 m</math> die verschobene [[Resonanzfrequenz]] <math>\omega_0</math> als [[Eigenfrequenz]] des Oszillators ([[Übergangsfrequenz]] in [[Absorptionsspektrum]]). Diese Verschiebung kommt von der Abweichung des lokalen elektrischen Feldes <math>\vec{E}_{\text{lokal}}</math> vom makroskopischen elektrischen Feld <math>\vec{E}</math>. Die Abstrahlung des [[Dipol]]s dämpft den Oszillator und wird mit der [[Dämpfungskonstante]] <math>\gamma</math> berücksichtigt.

Die Frequenz <math>\omega</math> der Röntgenstrahlung ist viel höher als alle Resonanzfrequenzen: <math>\omega\gg\omega_1</math>. Das rechtfertigt die Hochfrequenzentwicklung der Permittivitätszahl <math>\varepsilon_\mathrm{r}</math>:
:<math>\varepsilon_\mathrm{r}=1+ \frac{N q^2}{\varepsilon_0 m} \cdot\frac{1}{\omega_1^2 - \omega^2 - \mathrm i \gamma \omega}\underbrace{\longrightarrow}_{\omega\gg\omega_1} 1- \frac{N q^2}{\varepsilon_0 m} \cdot\frac{1}{\omega^2 + \mathrm i \gamma \omega}=1- \frac{N q^2}{\varepsilon_0 m} \cdot\left(\frac{\omega^2 - \mathrm i \gamma \omega}{\omega^4 + \gamma^2 \omega^2}\right)\approx1- \frac{N q^2}{\varepsilon_0 m}\cdot\frac{1}{\omega^2}+\mathrm i\frac{N q^2}{\varepsilon_0 m}\cdot\frac{\gamma}{\omega^3} </math>

Der komplexe Brechungsindex <math>\boldsymbol n </math> als Quadratwurzel von <math>\varepsilon _{r}</math> für nicht-ferromagnetische Materialien (<math>\mu_{r} \approx 1</math>) lautet dann:
:<math>\boldsymbol n =\sqrt{\mu_\mathrm{r}\cdot\varepsilon_\mathrm{r}}\approx\sqrt{\varepsilon_\mathrm{r}}\approx\sqrt{1- \frac{N q^2}{\varepsilon_0 m}\cdot\frac{1}{\omega^2}+\mathrm i\frac{N q^2}{\varepsilon_0 m}\cdot\frac{\gamma}{\omega^3}}\approx 1- \frac{N q^2}{2\varepsilon_0 m}\cdot\frac{1}{\omega^2}+\mathrm i\frac{N q^2}{2\varepsilon_0 m}\cdot\frac{\gamma}{\omega^3}=n + \mathrm i K ,</math>
gemäß der Notation von oben.

Die Röntgenstrahlung streut an jedem Elektron im Material. Pro Atom zeigt die [[Kernladungszahl]] <math>Z</math> auch die Anzahl der Elektronen an. Das [[Atomgewicht]] <math>M_m\cdot u</math> ist das Produkt aus [[Molmasse]] <math>M_m</math> und der atomaren Masseneinheit <math>u=\text{1,661}\cdot10^{-27}\text{ kg}</math>. Die Atomdichte erhält man aus dem Verhältnis der Materialdichte <math>\varrho</math> und dem Atomgewicht <math>M_m\cdot u</math>. Für die Elektronendichte gilt somit:
:<math>N=\frac{\varrho}{M_m\cdot u}\cdot Z=\frac{N_A \cdot \varrho}{M_m}\cdot Z,</math>
denn <math>\text{1 kg}=\text{6,022}\cdot10^{26}\cdot u=N_A\cdot u</math> mit der [[Avogadrozahl]] <math>N_A</math>. Somit hängt der Brechungsindex <math>n</math> für Röntgenstrahlung über
:{{NumBlk|1=:|2=<math>n= 1- \frac{N q^2}{2\varepsilon_0 m}\cdot\frac{1}{\omega^2}<1\qquad \text{oder}\qquad n= 1- \frac{N_A q^2}{8\pi^2\varepsilon_0 mc^2}\cdot\frac{Z}{M_m}\cdot\varrho\cdot\lambda^2<1
</math>|3=(1)|RawN=f|LnSty=none}}
vom Material ab. Er ist geringer als derjenige von Vakuum.<ref>{{Literatur |Autor=Z. G. Pinsker |Titel=Dynamical Scattering of X-Rays in Crystals |Auflage=1. |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=1978 |ISBN=3-540-08564-5 |Seiten=28}}</ref> Mit der Avogadrozahl <math>N_A=\text{6,022}\cdot10^{26}\text{ kmol}^{-1}</math>, der elektrischen Feldkonstante <math>\varepsilon_0=\text{8,854}\cdot10^{-12}\text{ Fm}^{-1}</math>, der Elektronenmasse <math>m=\text{9,109}\cdot10^{-31}\text{ kg}</math>, der Elementarladung <math>q=\text{1,602}\cdot10^{-19}\text{ C}</math> und der Lichtgeschwindigkeit <math>c=\text{2,998}\cdot10^{8}\text{ ms}^{-1}</math> schreibt man Gleichung (1) um in<ref>{{Literatur |Autor=[[Robert Wichard Pohl|R. W. Pohl]] |Titel=Einführung in die Physik -- Optik und Atomphysik, Bd. 3 |Auflage=10. |Verlag=Springer |Ort=Berlin |Datum=1958 |ISBN= |Seiten=191}}</ref>:
:{{NumBlk|1=:|2=<math>1-n=\frac{N_A q^2}{8\pi^2\varepsilon_0 mc^2}\cdot\frac{Z}{M_m}\cdot\varrho\cdot\lambda^2=\text{2,70}\cdot10^{11}\cdot\frac{Z}{M_m}\cdot\varrho\cdot\lambda^2\, \frac{\text{m}}{\text{kmol}}</math>|3=(2)|RawN=f|LnSty=none}}

Erzeugt man die Röntgenstrahlung mit Molybdän als [[Target (Physik)|Targetmaterial]] bei einer [[Beschleunigungsspannung]] von 50 kV, dann entsteht unter anderem die starke <math>\text{Mo-K}_\alpha</math> Linie der [[Charakteristische Röntgenstrahlung|charakteristischen Röntgenstrahlung]] mit der Energie von 17,448 keV und einer Wellenlänge von <math>\lambda=\text{0,7107}\,\AA</math>.

Für [[Silicium|Silizium]] mit seiner Molmasse <math>M_m=28\text{ kg/kmol}</math>, seiner Kernladungszahl <math>Z=14</math> und seiner Dichte <math>\varrho=2{,}336\text{ kg/m}^3 </math> wird <math>(1-n_{\text{Si}})</math> durch Einsetzen in Gleichung (2) zu:
:<math>1-n_{\text{Si}}=\text{2,70}\cdot10^{11}\cdot\frac{14}{28}\cdot2{,}336\cdot\text{0,7107}^2\cdot10^{-20}=\text{1,593}\cdot10^{-6}</math>

Bei [[Streuexperiment]]en an [[Luft]] braucht man auch den Brechungsindex von Röntgenstrahlung an Luft mit der Molmasse <math>M_m=28{,}949\text{ kg/kmol}</math>. Da Luft im Wesentlichen aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon besteht, ist der Quotient aus Kernladungszahl <math>Z</math> und Molmasse <math>M_m</math> gleich <math>Z/M_m=\text{0,5}</math>. Mit der Luftdichte unter Normalbedingungen von <math>\varrho=\text{1,293 kg/m}^3 </math> wird <math>(1-n_{\text{Luft}})</math> durch Einsetzen in Gleichung (2) zu:
:<math>1-n_{\text{Luft}}=\text{2,70}\cdot10^{11}\cdot\frac{1}{2}\cdot\text{1,293}\cdot\text{0,7107}^2\cdot10^{-20}=\text{8,82}\cdot10^{-10}</math>
Für Röntgenstreuung erhält man somit das überraschende Resultat, dass
:<math>n_{\text{Luft}}>n_{\text{Si}}.</math>
Luft ist somit im Vergleich zu Materie das optisch dichtere Medium für Röntgenstrahlung. Es kann [[Totalreflexion]] an der Grenze von Luft zu Silizium auftreten. Dafür muss allerdings der Einfallswinkel gegen die Oberfläche geringer sein als der [[Kritischer Winkel|kritische Winkel]] <math>\alpha_{\text{krit}}<\sqrt{2\cdot(1-n_{\text{Si}})}</math>, wie der Wikipedia-Seite Totalreflexion entnommen werden kann. Bei Silizium und der <math>\text{Mo-K}_\alpha</math> Linie beträgt der kritische Winkel <math>\alpha_{\text{krit}}=\text{1,785 mrad}=\text{0,102°}</math>. Der kritische Winkel ist proportional zur Wellenlänge: <math>\alpha_{\text{krit}}\sim\lambda</math>.

Dass die Brechungsindizes von Materialien unter [[Röntgenstreuung]] niedriger sind als diejenigen von Luft oder Vakuum, bildet die Grundlage für die [[Diffraktometrie unter streifendem Einfall]].

Der [[Absorptionskoeffizient]] <math>\kappa</math> beträgt dann mit <math>N=N_A \cdot \varrho\cdot Z/M_m</math>
:<math>\kappa=\frac{N q^2}{2\varepsilon_0 m}\cdot\frac{\gamma}{\omega^3}=\frac{N_A q^2}{16\pi^3\varepsilon_0 mc^3}\cdot\gamma\cdot\frac{Z}{M_m}\cdot\varrho\cdot\lambda^3\sim \lambda^3</math>
und ist proportional zum Kubus der Wellenlänge.<ref>{{Literatur |Autor=Bergmann Schaefer |Titel=Lehrbuch der Experimentalphysik -- Band IV, Teil 1 |Auflage=2. |Verlag=de Gruyter |Ort=Berlin |Datum=1981 |ISBN=3-11-008074-5 |Seiten=161}}</ref>

=== Gruppenbrechungsindex ===
Das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit <math>c_0</math> zur [[Gruppengeschwindigkeit]] <math>c_{\mathrm{g}}</math> des Lichts im Medium ist der '''Gruppenbrechungsindex''' <math>n_\mathrm{g}</math>. Über die Gruppengeschwindigkeit ist diese [[Stoffeigenschaft|Materialeigenschaft]] von der Wellenlänge <math>\lambda</math> des Lichts abhängig:

:<math>n_\mathrm{g}(\lambda) = \frac{c_0}{c_\mathrm{g}(\lambda)}</math>

Im Vakuum hat die Gruppengeschwindigkeit den gleichen Wert wie die Phasengeschwindigkeit, zudem ist dieser Wert unabhängig von der Wellenlänge des Lichts. Im Medium ist das nicht notwendigerweise der Fall; besonders bei Wellenlängen, für die das Material große Dispersion zeigt, ergeben sich Unterschiede.

== Andere Definitionen ==
[[Datei:Brechzahl-einfach.svg|mini|hochkant=1.2|Brechung von Medium 1 in ein Medium 2 mit höherem Brechungsindex: Der untere graue Strahl zeigt das Verhalten eines Metamaterials mit gegenüber Medium 1 umgedrehten Vorzeichen.]]
Die Definition des Brechungsindex erfolgte oben über die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Material ausbreitet. Dieses Vorgehen ist naheliegend, aber nicht in allen Fällen anwendbar. Beispielsweise können [[Metamaterial]]ien dem geometrischen Strahlengang nach einen negativen Brechungsindex (s. u.) aufweisen. Ein negativer Wert der Lichtgeschwindigkeit ist jedoch nicht sinnvoll definiert.

Alternative Definitionen des Brechungsindex, bei denen dieses Problem nicht auftritt, sind:
* Über das [[Fermatsches Prinzip|Fermatsche Prinzip]], nach welchem das Licht zwischen zwei Punkten jenen Weg zurücklegt, für den es einen [[Extremwert]] (Minimum) der Zeit benötigt.
* Über das [[Huygenssches Prinzip|Huygenssche Prinzip]], das besagt, dass jeder Punkt einer [[Wellenfront]] als Ausgangspunkt einer [[Kugelwelle]] angesehen werden kann und die Interferenz aller dieser Wellen die weiter propagierende Wellenfront ergibt.
* Über die [[Geometrische Optik|Strahlenoptik]]. Nach dem erwähnten [[Snelliussches Brechungsgesetz|Snellius-Brechungsgesetz]] entspricht ''n'' dem [[Sinus]]-Verhältnis von [[Einfallswinkel]] und [[Snelliussches Brechungsgesetz|gebrochenem Winkel]].
Alle diese Definitionen liefern für gewöhnliche optische Materialien denselben Wert.

== Brechungsindex der Luft und anderer Stoffe ==

{| class="wikitable float-right sortable"
|+ Brechungsindex ausgewählter Stoffe bei der Wellenlänge 589 nm (gelb-orange) der [[Natrium-D-Linie]].<ref>https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=Cs&page=Smith</ref><ref>https://www.filmetrics.de/refractive-index-database</ref>
|- class="hintergrundfarbe6"
! data-sort-type="text"| Material
! data-sort-type="number"| Brechungs- index ''n''
|-
| '''[[Vakuum]]''' ||data-sort-value="1"| '''exakt 1'''
|-
| [[Helium]] ([[Standardbedingungen|<abbr title="(Physikalische) Normbedingungen, d. h. 273,15 K = 0 °C und 101325 Pa = 760 Torr = 1 Physikalische Atmosphäre">Normbed.</abbr>]]) ||data-sort-value="1,00034911"| 1,000 034 911
|-
| [[Luft]] (Normbed.) ||data-sort-value="1,000292"| 1,000 292
|-
| [[Schwefelhexafluorid]] (Normbed.) ||data-sort-value="1,000729"| 1,000 729
|-
| [[Aerogel]] ||data-sort-value="1,007"| 1,007 … 1,24
|-
| [[Eis]] || 1,31
|-
| [[Wasser]] (liqu.) 20 °C || 1,3330
|-
| menschl. [[Linse (Auge)|Augenlinse]] ||data-sort-value="1,35"| 1,35 … 1,42
|-
| [[Ethanol]]<ref name="Lide2009">{{CRC Handbook |Auflage=90 |Titel= |Kapitel=3 |Startseite=232 |Endseite= }}</ref> (liqu.) || 1,3614
|-
| [[Flussspat]] ([[Calciumfluorid]]) || 1,43
|-
| menschliche [[Epidermis (Wirbeltiere)|Epidermis]] || 1,45
|-
| [[Quarzglas]] || 1,46
|-
| [[Glycerin]] (liqu.) || 1,473 99
|-
| [[Polymethylmethacrylat|PMMA]] (Plexiglas) || 1,49
|-
| [[Kronglas]] ||data-sort-value="1,46"| 1,46 … 1,65
|-
| [[Benzol]] (liqu.) || 1,5011
|-
| Fensterglas<ref>J. D'Ans, E. Lax, ''Taschenbuch für Chemiker und Physiker''. 2. Aufl. 1949, S. 1358.</ref> || 1,52
|-
| Mikroskopische [[Deckglas|Deckgläser]] || 1,523
|-
| [[Quarz]] || 1,54
|-
| [[Halit]] (Steinsalz) || 1,54
|-
| [[Polystyrol]] (PS) || 1,58
|-
| [[Polycarbonate|Polycarbonat]] (PC) || 1,585
|-
| [[Epoxidharz]] ||data-sort-value="1,55"| 1,55 … 1,63
|-
| [[Flintglas]] ||data-sort-value="1,56"| 1,56 … 1,93
|-
| [[Schwefelkohlenstoff]] (CS2) (liqu.) ||data-sort-value="1,63"| 1,6319
|-
| Kunststoffglas für [[Brille]]n ||data-sort-value="1,76"| bis 1,76
|-
| [[Diiodmethan]] (liqu.) || 1,7425
|-
| [[Rubin]] ([[Aluminiumoxid]]) || 1,76
|-
| Mineralglas für [[Brille]]n (polarisierend) ||data-sort-value="1,9" | bis 1,9 (1,5)
|-
| [[Glas]] ||data-sort-value="1,45"| 1,45 … 2,14
|-
| [[Bleikristall]] ||data-sort-value="1,93"| bis 1,93
|-
| [[Zirkon]] || 1,92
|-
| [[Diamant]] || 2,42
|-
| [[Titandioxid]] (Anatas) || 2,52
|-
| [[Siliciumcarbid]] ||data-sort-value="2,65"| 2,65 … 2,69
|-
| [[Titandioxid]] (Rutil) || 3,10
|}

=== Größenordnungen ===
[[Datei:Brechungsindex Wasser 1-de.svg|mini|links|Brechungsindex von Wasser zwischen 3 nm und 300 m]]

Das Vakuum hat per Definition einen Brechungsindex von exakt 1. Dies stellt zum einen einen Referenzwert dar, zum anderen ergibt es sich aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im Vakuum, die genau der Vakuumlichtgeschwindigkeit entspricht.

In „normalen“ Stoffen gibt es bewegliche elektrische Ladungsträger (und bewegliche [[Magnetischer Dipol|magnetische Dipole]]). Diese bewirken durch Kompensation des elektrischen (und des magnetischen) Feldes eine verlangsamte Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes. Dies wird durch den Brechungsindex <math>\mathbf n</math> beschrieben. Dieses Kompensationsverhalten ist allerdings frequenzabhängig, da die Ladungsträger (und magnetischen Dipole) nur bis zu einer bestimmten Frequenz dem elektrischen Feld folgen können. So fangen Stoffe bei einem bestimmten Brechungsindex bei sehr kleinen Frequenzen an (Wasser z. B. bei <math>n \approx 9</math>) und reduzieren diesen Wert hin zu hohen Frequenzen. Jede Reduktion erfolgt in der Nähe einer Elektronenresonanz (oder Magnetdipolresonanz) des Stoffes und führt zu einer zunächst vergrößerten Brechzahl, die sich danach verkleinert und anschließend auf einem niedrigeren Niveau wieder einpegelt.

Im sichtbaren Bereich sind die Brechungsindizes transparenter bzw. schwach (bis mittelstark) absorbierender Materialien in der Regel größer als 1. Bei elektrisch leitfähigen und daher stark absorbierenden Materialien wie Metallen herrschen andere physikalische Bedingungen. Sichtbares Licht kann nur wenige Nanometer in solche Materialien eindringen. Aus der oben genannten Beziehung mit der Permittivität und Permeabilität ergibt sich daher zwar oft ein Realteil des Brechungsindexes zwischen 0 und 1, dies kann aber nicht in der gleichen Weise interpretiert werden wie bei transparenten Materialien (Bezug zur Lichtgeschwindigkeit), da der komplexe Brechungsindex in diesem Fall vom Imaginärteil dominiert wird.

Darüber hinaus gibt es für jeden Stoff jedoch Wellenlängenbereiche (z. B. unterhalb des sichtbaren Bereichs), bei denen der Realteil des Brechungsindexes kleiner als 1 ist (aber positiv bleibt). So ist für sehr kleine Wellenlängen ([[Röntgenstrahlung]], [[Gammastrahlung]]) der Brechungsindex immer kleiner als 1 und nähert sich mit sinkender Wellenlänge der 1 von unten an. Daher hat sich beispielsweise im Röntgenbereich die Darstellung <math>n = 1-\delta</math> etabliert, wobei typische Werte für <math>\delta</math> zwischen 10−9 und 10−5 liegen (stark abhängig von der Wellenlänge, abhängig von der [[Ordnungszahl]] und [[Dichte]] des Materials).

=== Luft ===
Der Brechungsindex für sichtbares Licht von [[Luft]] beträgt auf [[Meeresniveau]] 1,00028<ref>{{CRC Handbook |Auflage=90 |Titel=Index of Refraction of Air |Kapitel=10 |Startseite=252 |Endseite= }}</ref> (trockene Luft bei [[Normatmosphäre]]). Er hängt von der Dichte und damit von der Temperatur der Luft ab sowie von der speziellen Zusammensetzung der Luft – insbesondere der [[Luftfeuchtigkeit]]. Da die [[Luftdichte]] nach oben – entsprechend den [[Gasgesetz]]en in einem [[Schwerefeld]], siehe [[barometrische Höhenformel]] – exponentiell abnimmt, beträgt der Brechungsindex in 8 km Höhe nur mehr 1,00011. Durch diese [[astronomische Refraktion]] scheinen [[Stern]]e höher zu stehen, als das ohne Atmosphäre der Fall wäre. Im technischen Bereich wird manchmal zur Vereinfachung der Brechungsindex der Materialien auf den von Luft bezogen.

=== Wellenlängenabhängigkeit ===
[[Datei:Dispersionskurven.PNG|links|mini|hochkant=1.2|Brechungsindex ausgewählter Glassorten als Funktion der Wellenlänge. Der sichtbare Bereich von 380 bis 780 nm ist rot markiert.]]
Da der Brechungsindex jedes Materials von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt (was auch bei elektromagnetischer Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs gilt), wäre es notwendig, diesen auch wellenlängenabhängig (tabellarisch oder als Funktion) anzugeben. In der Abbildung sind als Beispiel Kurven des wellenlängenabhängigen Brechungsindex einiger Glassorten dargestellt. Sie zeigen den typischen Verlauf einer normalen Dispersion.

Die Stärke der Dispersion lässt sich im sichtbaren Spektralbereich in erster Näherung durch die [[Abbe-Zahl]] beschreiben, genauere Abschätzung ergeben sich durch Anwendung der [[Sellmeier-Gleichung]].

Für viele einfache Anwendungen ist die volle Angabe des wellenlängenabhängigen Brechungsindex nicht notwendig. Stattdessen wird der Brechungsindex üblicherweise für die Wellenlänge der [[Natrium-D-Linie]] (589 nm) angegeben. In älteren Publikationen werden als Index statt des D auch α und β angegeben. Dabei handelt es sich um Linien des Wasserstoffspektrums, genauer der [[Balmer-Serie]] (α = 656 nm und β = 486 nm). Diese sind von historischem Interesse und werden heute kaum noch verwendet.
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== Brechungsindex des Plasmas ==
Jede linear [[Polarisation|polarisierte]] Welle kann als Überlagerung zweier zirkularer Wellen mit entgegengesetztem Umlaufsinn interpretiert werden. Verläuft die Ausbreitungsrichtung ''parallel'' zu den [[Magnetfeldlinien]], ergeben sich für die Brechzahlen ''n'' folgende Formeln:<ref>{{Internetquelle |url=http://descanso.jpl.nasa.gov/Propagation/1108/1108Chapter2.pdf |titel=Ionospheric Effects – Propagation in homogenous Plasmas |format=PDF; 2,2 MB |sprache=en |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20130217060506/http://descanso.jpl.nasa.gov/Propagation/1108/1108Chapter2.pdf |archiv-datum=2013-02-17 |abruf=2016-06-20}}</ref>

:<math>n_\text{links} = \sqrt {1- \frac{f_P^2}{f (f+f_B)}}</math>

:<math>n_\text{rechts} = \sqrt {1- \frac{f_P^2}{f (f-f_B)}}</math>

Dabei ist <math>f</math> die Frequenz der Welle, <math>f_P</math> die [[Plasmaoszillation|Plasmafrequenz]] der freien Elektronen im Plasma und <math>f_B</math> die [[Zyklotronfrequenz|Gyrationsfrequenz]] dieser Elektronen. Der Unterschied beider Formeln verschwindet, falls der Wellenvektor mit der Richtung des [[Magnetfeld]]es einen rechten Winkel einschließt, weil dann <math>f_B=0</math> ist.

=== Faraday-Effekt ===
{{Siehe auch|Faraday-Effekt}}
Falls <math>n</math> positiv ist, lässt sich damit die [[Phasengeschwindigkeit]] der Welle
:<math>v_\text{phase} = \frac{c}{n}</math>
und damit wiederum die Wellenlänge
:<math>\lambda = \frac{c}{nf}</math>
berechnen. Man kann sich eine linear polarisierte Welle zusammengesetzt aus einer rechts- und einer linksdrehenden zirkular polarisierten Welle vorstellen. Wenn sich die rechts- bzw. linksdrehenden zirkularen Wellen in ihren Wellenlängen unterscheiden, ist eine davon nach einer gewissen Weglänge um einen kleinen Winkel weiter gedreht als die andere. Der resultierende Vektor (und damit die [[Polarisationsebene]]) als Summe der beiden Komponenten wird dann gedreht (Faraday-Rotation). Das kann zum Beispiel beim Durchlaufen eines im Magnetfeld befindlichen Plasmas wie der [[Ionosphäre]] passieren.<ref>{{Internetquelle |autor=[[Christopher Watts]] |url=https://www.mpifr-bonn.mpg.de/1282332/watts_irsee.pdf |titel=Ionospheric effects on imaging and polarization |hrsg=Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn |datum=2010-10-05 |format=PDF |abruf=2016-06-20 |kommentar=Vortrags-Folien – Treffen Kloster Irsee 2010}}</ref>
Nach einer längeren Strecke kann die Gesamtdrehung sehr groß sein und ändert sich wegen der Bewegung der Ionosphäre ständig. Ein Funksignal in vertikaler Polarisation kann den Empfänger in unregelmäßigen Zeitabständen auch horizontal polarisiert erreichen. Falls die Empfangsantenne darauf nicht reagiert, ändert sich die Signalstärke sehr drastisch, was als [[Fading (Elektrotechnik)|Fading]] bezeichnet wird.

Auch fast alle [[Dielektrika]] zeigen den Faradayeffekt, er wird hier insbesondere im optischen Frequenzbereich beobachtet und genutzt.

Beim Funkverkehr mit Satelliten unterscheiden sich <math>n_\text{links}</math> und <math>n_\text{rechts}</math> wegen der hier oft benutzten höheren Frequenzen ([[Zentimeterwellen]]) nur geringfügig, entsprechend geringer ist auch die Faradayrotation. Ansonsten behilft man sich mit [[Zirkularpolarisation]] oder zumindest mit einer Empfangsantenne, die zirkular polarisierte Wellen empfangen kann.

=== Polarisationsabhängige Absorption ===
Die ungebundenen freien Elektronen der [[Ionosphäre]] können sich schraubenförmig um die Magnetfeldlinien bewegen und entziehen dabei einer parallel laufenden elektromagnetischen Welle Energie, wenn Frequenz und Drehrichtung übereinstimmen. Diese [[Zyklotronresonanz]] kann nur bei einer rechtsdrehend [[Zirkularpolarisation|zirkularpolarisierten]] (außerordentlichen) Welle beobachtet werden, weil für <math>f=f_B</math> der Nenner in obiger Formel Null wird. Eine linksdrehende zirkularpolarisierte (ordentliche) Welle kann im Plasma auf diese Weise keine Energie verlieren.

Die Feldlinien des [[Erdmagnetfeld]]es sind so orientiert, dass sie auf der nördlichen Halbkugel von der Ionosphäre zur Erde zeigen, man „blickt“ ihnen gewissermaßen entgegen, weshalb ''rechts'' und ''links'' vertauscht werden müssen. Deshalb wird hier eine nach oben abgestrahlte linksdrehende Welle absorbiert. Das Forschungsprojekt [[HAARP]] untersuchte diese Zusammenhänge.


Strahlt man dagegen (auf der nördlichen Halbkugel) eine Welle im unteren Kurzwellenbereich mit ''rechtem'' Drehsinn vertikal nach oben ab, verliert diese in der Ionosphäre keine Energie durch Zyklotronresonanz und wird in einigen hundert Kilometern Höhe von der Ionosphäre [[Totalreflexion|reflektiert]], falls die [[Plasmafrequenz]] nicht überschritten wird.<ref>[http://www.waniewski.de/MW/Mainflingen/id311.htm Mainflingen Kreuzdipol].</ref> Strahlt man eine linear polarisierte Welle nach oben ab, heizt die Hälfte der Sendeenergie die Ionosphäre und nur der Rest kommt linksdrehend zirkularpolarisiert wieder unten an, weil sich bei Reflexion der Drehsinn ändert.

Beim Funkverkehr mit Satelliten liegen die Frequenzen weit oberhalb der Plasmafrequenz der Ionosphäre, um vergleichbar gravierende Phänomene zu vermeiden.

== Messung im optischen Bereich ==
Der Brechungsindex <math>n_\text{med}</math> eines nicht magnetischen Mediums (<math>\mu_\mathrm{r}\ = 1</math>) lässt sich durch Messung des [[Brewster-Winkel]]s beim Übergang von [[Luft]] in dieses Medium experimentell bestimmen. Für diesen Fall gilt

:<math> \tan (\alpha_\text{Brewster}) = \frac{n_\text{med}}{n_\text{Luft}} \approx n_\text{med}</math>.

Zur Messung dient ein [[Refraktometer]].

Eine Abschätzung des Brechungsindexes ist mit der sogenannten [[Immersionsmethode (Mineralogie)|Immersionsmethode]] durch das Eintauchen eines Gegenstands in durchsichtige Flüssigkeiten mit verschiedener Dichte möglich. Wenn der Brechungsindex von Gegenstand und Flüssigkeit identisch sind und beide farblos transparent sind, verschwinden die Gegenstände scheinbar. Bei unterschiedlichen Farben verschwinden zumindest die Konturen des Gegenstands. Dieses Verfahren kann zum Beispiel eingesetzt werden, um [[Rubin]] oder [[Saphir]] zu erkennen (Brechungsindex ca. 1,76), indem sie in eine geeignete [[Schwerflüssigkeit]] eingetaucht werden, beispielsweise in [[Diiodmethan]] (Brechungsindex = 1,74).

== Anwendung ==
Der Brechungsindex ist eine der zentralen Bestimmungsgrößen für optische [[Linse (Optik)|Linsen]]. Die Kunst der ''Optikrechnung'' zur Auslegung optischer Instrumente ([[Objektiv (Optik)|Objektive]], Messinstrumente, Belichtungsanlagen der [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]]) beruht auf der Kombination verschiedener brechender Linsenoberflächen mit passenden Glassorten.

In der [[Chemie]] und [[Pharmazie]] wird der Brechungsindex bei einer bestimmten Temperatur oft eingesetzt, um flüssige Substanzen zu charakterisieren. Die Temperatur und die Wellenlänge, bei der der Brechungsindex bestimmt wurde, werden dabei dem Symbol für den Brechungsindex angefügt, für 20 °C und die Natrium-D-Linie z. B. <math>n_D^{20}</math>.<ref name="EuropäischesArzneibuch">''Europäisches Arzneibuch''. 6. Ausgabe, Deutscher Apotheker Verlag Stuttgart, 2008, ISBN 978-3-7692-3962-1, S. 34.</ref>

Die Bestimmung des Brechungsindex erlaubt eine einfache Bestimmung des Gehaltes einer bestimmten Substanz in einem Lösungsmittel:
* [[Zucker]] in [[Wein]], siehe [[Grad Brix]] und [[Grad Oechsle]]
* [[Harz (Material)|Harz]] in [[Lösungsmittel]]
* [[Gefrierschutzmittel]] (meist [[Ethylenglycol]]) im Kühlwasser von [[Verbrennungsmotor]]en oder [[Thermische Solaranlage|thermischen Solaranlagen]]

== Zusammenhang mit dem atomaren Aufbau ==
=== Bei kristallinen Materialien ===
Der Brechungsindex eines [[kristall]]inen Materials hängt direkt von seinem atomaren Aufbau ab, da sich der Grad der [[Kristallisation (Polymer) #Kristallinität, Kristallinitätsgrad, Kristallisationsgrad|Kristallinität]] und das [[Kristallgitter]] eines [[Festkörper]]s auf seine [[Bandstruktur]] auswirken. Im [[Lichtspektrum|sichtbaren Spektrum]] zeigt sich dies beispielsweise bei der Verschiebung der [[Bandlücke]].

Durch einen anisotropen Kristallaufbau können zusätzlich Effekte wie die [[Doppelbrechung]] entstehen, bei der das Material für unterschiedlich polarisiertes Licht abweichende Brechungsindizes besitzt. In diesem Fall ist die [[Indikatrix]] ein dreiachsiges Ellipsoid ([[Indexellipsoid]]), und es ergeben sich die '''Hauptbrechungsindizes''' <math>n_{\alpha}</math>, <math>n_{\beta}</math> und <math>n_{\gamma}</math> (auch als ''n''1, ''n''2 und ''n''3 bezeichnet), deren Indizierung stets so vorgenommen wird, dass gilt: <math>n_{\alpha} < n_{\beta} < n_{\gamma}</math>.<ref>{{Literatur |Autor=[[Will Kleber]], [[Hans-Joachim Bautsch]], [[Joachim Bohm (Kristallograph)|Joachim Bohm]] |Titel=Einführung in die Kristallographie |Verlag=Oldenbourg |Datum=2002 |ISBN=3-486-59885-6 |Seiten=304 |Online={{Google Buch |BuchID=UvOw8tc8LJEC |Seite=304}}}}</ref>

In den [[Wirteliges Kristallsystem|wirteligen Kristallsystemen]] ([[Trigonales Kristallsystem|trigonal]], [[Tetragonales Kristallsystem|tetragonal]] und [[Hexagonales Kristallsystem|hexagonal]]) fällt die Hauptachse des Tensors, die auch als [[Optische Achse (Kristalloptik)|optische Achse]] bezeichnet wird, mit der kristallographischen c-Achse zusammen. Bei diesen ''optisch einachsigen'' Materialien
* entspricht <math>n_{\alpha} = n_{\beta}</math> dem Brechungsindex des [[Ordentlicher Strahl|ordentlichen Strahls]] (engl. {{lang|en|''ordinary ray''}}) und wird meist mit ''n''o, ''n''or, ''n''? oder <math>n_{\perp}</math> bezeichnet.
* Analog entspricht <math>n_{\gamma}</math> (<math>\neq n_{\alpha}</math>) dem Brechungsindex für den außerordentlichen Strahl (engl. {{lang|en|''extraordinary ray''}}) und wird als ''n''ao, ''n''e, ''n''e oder <math>n_{\parallel}</math> bezeichnet.
Siehe auch [[Indexellipsoid #Konstruktion|Konstruktion des Indexellipsoids und des Fresnel-Ellipsoids]].

=== Bei teilkristallinen und amorphen Materialien ===
[[Datei:Dichte brechzah-de.svg|mini|hochkant=1.2|Beziehung zwischen Brechungsindex und Dichte für Silikat- und Borosilikatgläser<ref>[http://glassproperties.com/refractive_index/ ''Calculation of the Refractive Index of Glasses.''] Auf: ''Glassproperties.com.''</ref> ]]
Bei [[teilkristallin]]en oder [[amorph]]en Materialien hat der atomare Aufbau ebenfalls deutlichen Einfluss auf den Brechungsindex. So erhöht sich in der Regel der Brechungsindex von [[Silikatglas|Silikat-]], [[Bleiglas|Bleisilikat-]] und [[Borosilikatglas|Borosilikatgläsern]] mit ihrer [[Dichte]].

Trotz dieses allgemeinen Trends ist die Beziehung zwischen Brechungsindex und Dichte nicht immer linear, und es treten Ausnahmen auf, wie im Diagramm dargestellt:
* einen relativ großen Brechungsindex und eine kleine Dichte kann man mit Gläsern erhalten, die leichte [[Metalloxid]]e wie [[Lithiumoxid|Li2O]] oder [[Magnesiumoxid|MgO]] enthalten
* das Gegenteil wird mit [[Blei(II)-oxid|PbO]]- und [[Bariumoxid|BaO]]-haltigen Gläsern erreicht.

== Negative Brechungsindizes ==
=== Geschichte ===
1968 beschrieb der sowjetische Physiker [[Wiktor Wesselago]] das seltsame Verhalten von Materialien mit negativem Brechungsindex: „Würde die Herstellung gelingen, könnte man damit [[Linse (Optik)|Linsen]] fertigen, deren [[Auflösungsvermögen]] weit besser wäre als das von Linsen aus gewöhnlichen optischen Werkstoffen“.<ref>{{Literatur |Autor=Viktor G .Veselago |Titel=The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of e and µ |Sammelwerk=Soviet Physics Uspekhi |Band=10 |Nummer=4 |Datum=1968-04-30 |Seiten=509–514 |DOI=10.1070/PU1968v010n04ABEH003699}}</ref>

1999 schlug Sir [[John Pendry]] ein Design für [[Metamaterial]]ien mit negativem Brechungsindex für [[Mikrowellen]] vor,<ref>{{Literatur |Autor=J.B. Pendry, A.J. Holden, D.J. Robbins, W.J. Stewart |Titel=Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena |Sammelwerk=IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques |Band=47 |Nummer=11 |Datum=1999 |Seiten=2075–2084 |DOI=10.1109/22.798002}}</ref> das kurz darauf realisiert wurde.<ref>{{Literatur |Autor=R. A. Shelby, D. R. Smith, S. Schultz |Titel=Experimental Verification of a Negative Index of Refraction |Sammelwerk=Science |Band=292 |Nummer=5514 |Datum=2001-06-04 |Seiten=77–79 |DOI=10.1126/science.1058847}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=C. Kusko, Z. Zhai, N. Hakim, R. S. Markiewicz, S. Sridhar, D. Colson, V. Viallet-Guillen, A. Forget, Yu. A. Nefyodov, M. R. Trunin, N. N. Kolesnikov, A. Maignan, A. Daignere, A. Erb |Titel=Anomalous microwave conductivity due to collective transport in the pseudogap state of cuprate superconductors |Sammelwerk=[[Physical Review]] B |Band=65 |Nummer=13 |Datum=2002-02-06 |Seiten=132501 |DOI=10.1103/PhysRevB.65.132501}}</ref>

2003 hat eine Gruppe um [[Yong Zhang]] in Colorado entdeckt, dass Kristalle aus [[Yttrium]]-[[Vanadat]] (YVO4), einer Verbindung von Yttrium, [[Vanadium]] und [[Sauerstoff]], auch ohne Weiterverarbeitung einen negativen Brechungsindex für Lichtwellen eines großen [[Frequenz]]bereichs aufweisen.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.aip.org/png/2003/202.htm |titel=Left Handed Material at Work |werk=Physics News |sprache=en |offline=1 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20131001153457/http://www.aip.org/png/2003/202.htm |archiv-datum=2013-10-01 |abruf=2016-06-20}}</ref> Der Kristall besteht aus zwei ineinandergeschachtelten [[Kristallgitter]]n mit [[Symmetrie (Geometrie)|symmetrischen]] optischen Achsen. Die negative [[Brechung (Physik)|Lichtbrechung]] tritt aber nur in einem gewissen Winkelbereich des [[Einfallswinkel]]s auf. In künftigen [[Experiment]]en wollen die Forscher weitere vermutete Eigenschaften der negativen Brechung prüfen – wie etwa die Umkehrung des [[Dopplereffekt]]s und der [[Tscherenkow-Strahlung]].<ref>{{Literatur |Autor=Yong Zhang, B. Fluegel, A. Mascarenhas |Titel=Total Negative Refraction in Real Crystals for Ballistic Electrons and Light |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=91 |Nummer=15 |Datum=2003-09-09 |Seiten=157404 |DOI=10.1103/PhysRevLett.91.157404}}</ref>

2007 stellten [[Vladimir Shalaev]] und seine Kollegen von der Purdue-Universität ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex für Strahlung im nahen [[Infrarot]]bereich vor.<ref>{{Literatur |Autor=V. M. Shalaev |Titel=Optical negative-index metamaterials |Sammelwerk=Nat. Photonics |Band=1 |Datum=2007 |Seiten=41–48 |DOI=10.1038/nphoton.2006.49}}</ref>

2007 ist es Physikern um [[Ulf Leonhardt]] von der [[Universität St Andrews]] unter Verwendung von Metamaterial mit negativem Brechungsindex („linkshändiges Material“) gelungen, den sogenannten [[Casimir-Effekt]] umzukehren (reverser Casimir-Effekt, auch Quanten-Levitation genannt). Dies eröffnet die Zukunftsperspektive auf eine (nahezu) reibungslose [[Nanotechnologie]].<ref>{{Literatur |Autor=[[Rainer Scharf]] |Titel=Bisweilen stößt das Nichts auch ab |Sammelwerk=Frankfurter Allgemeine Zeitung |Band=11 |Datum=2009-01-14 |Seiten=N1}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Ulf Leonhardt et al. |Titel=Quantum levitation by left-handed metamaterials |Sammelwerk=New J. Phys |Band=9 |Datum=2007 |Seiten=254 |DOI=10.1088/1367-2630/9/8/254}}</ref>

=== Nicht durch Beugung begrenzte Linsen ===
Im Jahr 2000 zeigte [[John Pendry]], dass mit einem Material mit negativem Brechungsindex eine Linse hergestellt werden kann, deren Auflösung nicht durch das [[Beugung (Physik)|Beugungslimit]] begrenzt ist.<ref>{{Literatur |Autor=J. B. Pendry |Titel=Negative Refraction Makes a Perfect Lens |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Band=85 |Datum=2000 |Seiten=3966 |DOI=10.1103/PhysRevLett.85.3966}}</ref> Eine einschränkende Bedingung ist dabei, dass sich die Linse im Nahfeld des Objekts befinden muss, damit die [[evaneszente Welle]] noch nicht zu stark abgeklungen ist. Für sichtbares Licht bedeutet das einen Abstand von etwa < 1 µm. Einige Jahre später gelang es Forschern um Xiang Zhang an der [[Universität Berkeley]], ein Mikroskop mit einer [[Auflösung (Mikroskopie)|Auflösung]] von einem Sechstel der Wellenlänge des verwendeten Lichts zu bauen.<ref>{{Literatur |Autor=H. Lee, Y. Xiong, N. Fang, W. Srituravanich, S. Durant, M. Ambati, C. Sun, X. Zhang |Titel=Realization of optical superlens imaging below the diffraction limit |Sammelwerk=New J. Phys |Band=7 |Datum=2005 |Seiten=255 |Online={{Webarchiv |url=http://xlab.me.berkeley.edu/Publications/pdfs/33.Joe%20Superlens.pdf |text=Volltext |wayback=20120901074847}} |Format=PDF |KBytes=2500 |Abruf=2016-06-20 |DOI=10.1088/1367-2630/7/1/255}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=[[Michael Bass (Physiker)|Michael Bass]]
|Titel=Handbook of Optics Volume 1. Optical Techniques and Design:
|Auflage=2.
|Verlag=Mcgraw-Hill Professional
|Datum=1994
|ISBN=0-07-047740-X}}
* {{Literatur
|Autor=Martin Roß-Meßemer
|Titel=Den kleinsten Winkel im Visier
|Sammelwerk=Innovation
|Nummer=10
|Datum=2001
|Seiten=22–23
|Online={{Webarchiv |url=http://www.zeiss.de/C1257173002D0F60/0/D29D239FC359D7F7C125718100478D68/$File/Innovation10_22.pdf |text=zeiss.de |wayback=20121109170058}}
|Format=PDF
|KBytes=705
|Abruf=2016-06-20}}
* Schott Glass (Hrsg.): ''Optical Glass Properties.'' 2000 (Produktkatalog; Brechungsindizes verschiedener Glassorten). [http://www.physics.ohio-state.edu/~dws/class/880.uf/schott/optic_catalog.pdf PDF; 257 kB.]

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Refraction|Brechung|audio=1|video=1}}

* C. Wolfseher: ''[https://www.geogebra.org/de/upload/files/dynamische_arbeitsblaetter/lwolf/brechung/brechung.html Brechung].'' Abgerufen am 20. Dezember 2009 (Dynamische Arbeitsblätter mit [[Geogebra]]).
* Belle Dumé: ''[http://physicsweb.org/articles/news/7/3/12 The speed of light is not violated by negative refraction].'' PhysicsWeb, 20. März 2003, abgerufen am 20. Dezember 2009.
* ''[https://filmetrics.de/refractive-index-database Datenbank für Brechungsindizes und Absorptionskoeffizienten].'' Filmetrics (Hrsg.), abgerufen am 4. August 2011.
* ''[https://refractiveindex.info/ RefractiveIndex.INFO – Datenbank für Brechungsindizes].'' Mikhail Polyanskiy (Hrsg.), abgerufen am 20. Dezember 2009.
* {{Webarchiv |url=http://www.texloc.com/closet/cl_refractiveindex.html |text=TexLoc Refractive Index of Polymers (englisch) |wayback=20101027145836}}
* {{Literatur
|Autor=Rainer Engelbrecht
|Titel=Nichtlinearer Brechungsindex
|Sammelwerk=Nichtlineare Faseroptik
|Verlag=Springer Verlag
|Ort=Heidelberg Berlin
|Datum=2014
|ISBN=978-3-642-40967-7
|Online={{Google Buch |BuchID=Pm8oBgAAQBAJ| Seite = 133}}
|Seiten= 133–147}} {{DOI|10.1007/978-3-642-40968-4_5}}

== Einzelnachweise ==
<references />{{Normdaten|TYP=s|GND=4146524-6|LCCN=sh85112261}}
[[Kategorie:Optik]]
[[Kategorie:Stoffeigenschaft]]
[[Kategorie:Elektrodynamik]]

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Brechungsindex