Licht hoeft natuurlijk niet altijd gereflecteerd te worden als het een stof treft; het licht kan er ook in doordringen. Denk maar aan een raam waar het zonlicht moeiteloos doorheen gaat. Als licht bij de overgang van de ene stof (bijvoorbeeld lucht) in een andere stof (bijvoorbeeld glas) doordringt dan vindt er meestal een verschijnsel plaats dat breking wordt genoemd.

Breking is het verschijnsel dat licht in een stof doordringt en daarin zijn weg vervolgt in een iets andere richting dan waarin het aankwam bij de stof; er ontstaat een knik in de voortplantingsrichting van het licht. In de onderstaande foto (afbeelding 21) kan je dit verschijnsel goed zien. De foto laat een stuk rechthoekig glas zien waar een lichtstraal doorheen gaat. Zoals je kunt zien krijgt de lichtstraal twee keer een knik bij de grens tussen lucht en glas. Er vindt hier twee keer breking plaats.

Om te begrijpen wat er bij breking gebeurt moet je eerst weten dat de snelheid van licht afhangt van het materiaal waar het licht zich in verplaatst. Je hebt inmiddels geleerd dat licht zich in vacuüm voortplant met een snelheid van (afgerond) 3,0 ·108 m/s. Licht zal zich echter in verschillende doorzichtige materialen met verschillende snelheden voortplanten.

Een belangrijk begrip dat we hierbij moeten invoeren is het begrip brekingsindex. De brekingsindex (symbool n ) is gedefinieerd als:

Omdat n een verhouding van twee snelheden is heeft het geen eenheid.

Licht verplaatst zich in een materiaal altijd langzamer dan in vacuüm. De waarde van n in iets anders dan vacuüm zal dus altijd groter zijn dan 1.

In Binas tabel 18 kan je de brekingsindexen van een aantal materialen vinden. Hieronder is een afbeelding van deze tabel ingevoegd. Zoals je kunt zien hangt de brekingsindex af van de golflengte van het licht. Zo is de brekingsindex van glas voor geel licht anders dan voor blauw licht.

In afbeelding 22 zie je hoe een lichtstraal aankomt bij de grens tussen twee materialen en daar breekt. Het ene materiaal heeft een brekingsindex ni  (bijvoorbeeld lucht) en het andere materiaal heeft een brekingsindex nt (bijvoorbeeld glas). In de afbeelding is ook weer de normaal getekend. De lichtstraal valt in onder een hoek i met de normaal en zoals je kunt zien gaat de lichtstraal verder onder een hoek t met de normaal. (De letter t is afkomstig van het woord transmissie, wat het doorlaten van straling betekent.)

Bij breking geldt de algemene regel:

Hierbij geldt:

ni  = de brekingsindex van het materiaal waarin zich de invallende lichtstraal bevindt

nt = de brekingsindex van het materiaal waarin zich de gebroken lichtstraal bevindt

i = de invalshoek; de hoek tussen de invallende lichtstraal en de normaal

t = de brekingshoek; de hoek tussen de gebroken lichtstraal en de normaal

Deze formule wordt ook wel de wet van Snellius genoemd.

Let op: de brekingsindex van lucht bedraagt 1,00029. Meestal wordt in de praktijk echter gewerkt met een brekingsindex van lucht van 1 (net als bij vacuüm). Ook in deze module mag je voor de brekingsindex van lucht de waarde 1 nemen.

Bij breking zijn er drie gevallen mogelijk:

1.  De brekingsindex van het materiaal waarin zich de invallende lichtstraal bevindt (ni ) is kleiner dan de brekingsindex van het materiaal waarin zich de gebroken lichtstraal voortplant (nt). In dat geval breekt de lichtstraal naar de normaal toe. (Zie de linker figuur in afbeelding 23.)

2.  De brekingsindex van het materiaal waarin zich de invallende lichtstraal bevindt (ni ) is groter dan de brekingsindex van het materiaal waarin zich de gebroken lichtstraal voortplant (nt). In dat geval breekt de lichtstraal van de normaal af. (Zie de middelste figuur in afbeelding 23.)

3.  De lichtstraal valt loodrecht in op het grensvlak van de twee materialen. De lichtstraal wordt dan niet gebroken, maar plant zich voort in een rechte lijn. (Zie de rechter figuur in afbeelding 23.)

Afbeelding 23: drie gevallen van breking 

Het verschijnsel breking kom je in de praktijk regelmatig tegen. Steek bijvoorbeeld maar eens een potlood in een glas met water. Bij het grensvlak van water met lucht zal je waarschijnlijk waarnemen dat het potlood een knik lijkt te krijgen. Iets soortgelijks zie je in afbeelding 24. Hierin is een foto te zien van een houten rechte liniaal die voor de helft in een bakje water steekt. Door breking lijkt de liniaal een knik te krijgen. 

Experiment 1

In de onderstaande video kan je zien hoe het verschijnsel breking via een eenvoudig experiment kan worden gedemonstreerd. Bekijk de video en/of voer het experiment zelf uit. 

Geef een verklaring voor wat je hier ziet.

Door de voorbeelden en opdrachten die je hiervoor hebt gezien krijg je misschien de indruk dat er ófwel reflectie dan wel breking plaatsvindt als licht bij de overgang van twee materialen terechtkomt. Meestal vindt er bij de overgang van verschillende materialen echter zowel reflectie als breking plaats. Je hebt dit misschien wel eens gemerkt bij het kijken door een raam. Soms kan je hierbij zowel een reflectie in het raam ziet als wat er zich aan de andere kant van het raam bevindt. Een voorbeeld hiervan zie je in de onderstaande foto (zie afbeelding 25). De foto is gemaakt vanuit een trein. Je ziet in het raam zowel de reflectie van de treinstoelen als wat er zich buiten de trein bevindt (dat licht zal via breking door de glaslaag heen zijn gegaan). Er heeft hier dus zowel reflectie als breking plaatsgevonden.

Als licht loodrecht op glas invalt zal ongeveer 4% van het licht gereflecteerd worden. De overige 96% zal doorgelaten worden. In afbeelding 26 zie je hoe bij de overgang van lucht naar glas zowel reflectie als breking plaatsvindt, waarbij het grootste deel van het licht gebroken zal worden.

Omdat v = λ · f kan de formule n = c / v ook anders geschreven worden. Laten we de golflengte van het licht in vacuüm λ0 noemen en de frequentie in vacuüm f0 . Omdat v = λ · f, geldt voor vacuüm dan c = λ0 ·f0 . Voor licht dat zich in een bepaald materiaal voortplant geldt v = λ · f.  Vullen we dit in de formule voor de brekingsindex n = c / v dan krijgen we n = λ0 ·f0 / (λ·f).  Bij het grensvlak van twee materialen zullen per tijdseenheid evenveel golven aankomen als er zullen vertrekken; er zullen bij het grensvlak geen golven verdwijnen of erbij komen. Dat betekent dat bij de overgang van het ene naar het andere materiaal de frequentie van het licht niet zal veranderen. Er moet dus gelden dat f0 = f. Hieruit volgt dat de formule van de brekingsindex ook geschreven kan worden als: