Dieses Experiment ist ein Klassiker unter den Freihandversuchen zum Thema Lichtbrechung. Unter den zwei Gurkengläsern, die auf dem Foto zu sehen sind, befindet sich jeweils eine Münze. Bei dem mit Wasser gefüllten Glas, ist diese jedoch nicht zu sehen.
Was wird gebraucht?
- Gurken- oder Einmachglas
- Münze
- Wasser
Was ist zu tun?
Man lege die Münze auf einen Tisch und stelle das Gurkenglas darauf. Dann fülle man das Gurkenglas mit Wasser und schaue nun von der Seite darauf – die Münze ist nicht mehr zu sehen.
Was ist geschehen?
Befindet sich Luft im Gurkenglas, so ist die Münze von der Seite aus gut zu sehen. Befindet sich jedoch Wasser im Glas, so scheint die Münze beim Blick von der Seite verschwunden. 
Mit dem Lichtstrahl, der von der Münze ausgeht, geschieht also irgendetwas, was ihn daran hindert, in unser Auge zu fallen und was dies ist, wird in der Grafik gezeigt.
Zur Erläuterung: Geht Licht von Wasser und Glas in Luft über, so werden die Lichtstrahlen an den Grenzflächen gebrochen – und zwar vom Lot, also der Senkrechten, weg. Ein Teil des Lichts wird dabei immer auch reflektiert. Wasser und Glas bezeichnet man als optisch dichter als Wasser. Diese optische Dichte gibt an, wie stark ein Lichtstrahl gebrochen wird. Sie wird mit der Brechzahl oder dem Brechungsindex angegeben. Je höher die Brechzahl eines Mediums, umso stärker ist die Brechung. Luft hat ungefähr die Brechzahl 1. Wasser hat jedoch einen Brechungsindex von etwa 1,33 und Glas in diesem Fall einen Brechungsindex von ca. 1,5.
Wie stark der Lichtstrahl gebrochen wird, hängt außerdem davon ab, wie schräg das Licht einfällt. Je schräger der Blickwinkel, desto stärker demnach die Lichtbrechung. In unserem Versuch ist die Münze nur dann zu sehen, wenn man nicht von der Seite, sondern von oben durch das Wasser schaut.
Totalreflexion tritt übrigens dann auf, wenn man das Glas hochhält und von unten auf die Wasseroberfläche schaut. Hier bildet das Wasser eine Spiegelfläche und die Lichtstrahlen können das optisch dichtere Medium nicht verlassen. Alles wird reflektiert.
1703 wurde erstmals eine Abhandlung über das Verhalten von Lichtstrahlen in transparenten Medien veröffentlicht. Sein Verfasser war der Niederländer Willebrord van Roijen Snell (1580-1626), dem zu Ehren dieses grundlegende Gesetz der geometrischen Optik „Snelliussches Brechungsgesetz“ genannt wird.
Dieses Phänomen im Alltag
Der Effekt der Totalreflexion wird beispielsweise in Lichtwellenleitern genutzt, zu denen auch die Glasfaserkabel gehören. Sie dienen der optischen Datenübertragung. Dazu werden Daten mithilfe von Lichtsignalen codiert und durch Lichtleiter geschickt. Die Glasfaserkabel bestehen aus einem Kern und einem Mantel aus Glas. Es handelt sich um unterschiedliche Glasarten, die jeweils unterschiedliche Brechungsindizes haben. Das Licht läuft durch das Kabel und wird dabei viele Male total reflektiert, bevor es beim Empfänger ankommt. Lichtwellenleiter finden auch in der Medizin oder einfach in Form von Glasfaserlampen Verwendung.
Der Diamant hat übrigens von allen Stoffen mit 2,4 den höchsten Brechungsindex. Das bedeutet, dass das Licht dort nur noch etwa ein Drittel so schnell ist wie im Vakuum – also statt 300.000 Kilometer pro Sekunde nur noch 125.000. Der Winkel der Totalreflexion beim Übergang von Diamant zu Luft beträgt nur 24 Grad. Ist ein Diamant gut geschliffen, so wird ein Großteil der einfallenden Lichtstrahlen total reflektiert, sodass dadurch das Funkeln und Glitzern entsteht, für das der Diamant so berühmt ist.
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Quelle/n:
Gardner, Martin (1981): Entertaining Science Experiments with Everyday Objects. New York, Dover Publications, S. 75
