Wenn Sie sich Licht als Strahl vorstellen, können Sie drei bekannte Phänomene mit großer Genauigkeit beschreiben: Reflexion, Brechung und Streuung. Nehmen wir uns eine Sekunde Zeit, um jeden einzelnen zu besprechen.
Bei der Reflexion trifft ein Lichtstrahl auf eine glatte Oberfläche wie einen Spiegel und prallt ab. Ein reflektierter Strahl kommt immer in einem Winkel von der Oberfläche eines Materials ab, der dem Winkel entspricht, in dem der einfallende Strahl auf die Oberfläche trifft. In der Physik hört man das Gesetz der Reflexion. Sie haben wahrscheinlich gehört, dass dieses Gesetz besagt: „Der Einfallswinkel entspricht dem Reflexionswinkel.“
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Natürlich leben wir in einer unvollkommenen Welt und nicht alle Oberflächen sind glatt. Wenn Licht auf eine raue Oberfläche trifft, reflektieren einfallende Lichtstrahlen in allen möglichen Winkeln, da die Oberfläche uneben ist. Diese Streuung tritt in vielen Objekten auf, denen wir jeden Tag begegnen. Die Oberfläche von Papier ist ein gutes Beispiel. Sie können sehen, wie rau es ist, wenn Sie es unter dem Mikroskop betrachten. Wenn Licht auf Papier trifft, werden die Wellen in alle Richtungen reflektiert. Dies macht Papier so unglaublich nützlich – Sie können die Wörter auf einer gedruckten Seite lesen, unabhängig davon, in welchem Winkel Ihre Augen die Oberfläche betrachten.
„Brechung tritt auf, wenn ein Lichtstrahl von einem transparenten Medium (beispielsweise Luft) zu einem zweiten transparenten Medium (Wasser) gelangt. Wenn dies geschieht, ändert das Licht die Geschwindigkeit und der Lichtstrahl biegt sich entweder zu oder von dem weg, was wir die normale Linie nennen, eine imaginäre gerade Linie, die senkrecht zur Oberfläche des Objekts verläuft. Das Ausmaß der Biegung oder der Brechungswinkel der Lichtwelle hängt davon ab, wie stark das Material das Licht verlangsamt. Diamanten wären nicht so glitzernd, wenn sie das einfallende Licht nicht viel mehr verlangsamen würden als beispielsweise Wasser. Diamanten haben einen höheren Brechungsindex als Wasser, was bedeutet, dass diese funkelnden, teuren Lichtfallen das Licht stärker verlangsamen.
Linsen, wie die in einem Teleskop oder in einer Brille, nutzen die Brechung. Eine Linse ist ein Stück Glas oder eine andere transparente Substanz mit gekrümmten Seiten zum Konzentrieren oder Zerstreuen von Lichtstrahlen. Linsen dienen dazu, Licht an jeder Grenze zu brechen. Wenn ein Lichtstrahl in das transparente Material eintritt, wird er gebrochen. Wenn derselbe Strahl austritt, wird er wieder gebrochen. Der Nettoeffekt der Brechung an diesen beiden Grenzen ist, dass der Lichtstrahl die Richtung geändert hat. Wir nutzen diesen Effekt, um das Sehvermögen einer Person zu korrigieren oder zu verbessern, indem entfernte Objekte näher oder kleine Objekte größer erscheinen.
Leider kann eine Strahlentheorie nicht alle Verhaltensweisen des Lichts erklären. Wir brauchen ein paar andere Erklärungen, wie die, die wir als nächstes behandeln werden.