Der Brechungsindex von Wasser hat einen Höchstwert bei knapp unter 0 Grad Celsius
Der Brechungsindex erreicht ein Maximum nahe dem Gefrierpunkt, statt monoton zu fallen.
Wissenschaftliche Erklärung
Der Brechungsindex beschreibt, wie stark ein Medium Lichtstrahlen ablenkt. Bei den meisten Flüssigkeiten nimmt der Brechungsindex mit steigender Temperatur monoton ab, weil die Dichte sinkt und die Moleküle weiter auseinanderrücken. Wasser zeigt ein anderes Verhalten: Sein Brechungsindex steigt bei sinkender Temperatur an und erreicht ein Maximum knapp unter 0 Grad Celsius, bevor er bei noch tieferen Temperaturen (in unterkühltem Wasser) wieder leicht abfällt.
Dieses Maximum hängt eng mit der Dichteanomalie zusammen. Der Brechungsindex ist über die Lorentz-Lorenz-Gleichung mit der Dichte verknüpft: Höhere Dichte bedeutet tendenziell einen höheren Brechungsindex. Da die Dichte von Wasser bei 3,98 Grad Celsius ihr Maximum hat, würde man das Brechungsindex-Maximum in der Nähe erwarten. Tatsächlich liegt es etwas tiefer (nahe 0 Grad Celsius), weil neben der Dichte auch die molekulare Polarisierbarkeit eine Rolle spielt, die sich mit der Änderung des Wasserstoffbrückennetzwerks verändert.
Im unterkühlten Bereich nimmt die Dichte wieder ab (die offene, eisähnliche Struktur überwiegt), und mit ihr sinkt auch der Brechungsindex — daher das Maximum statt eines monotonen Anstiegs.
Alltagsrelevanz
Der Brechungsindex beeinflusst, wie wir Wasser optisch wahrnehmen. Die leichte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur erzeugt in natürlichen Gewässern Schlierenmuster, wenn Wasser unterschiedlicher Temperatur aufeinandertrifft. In der analytischen Chemie nutzt man Refraktometer, die auf der präzisen Messung des Brechungsindex basieren, um die Reinheit und Konzentration von wässrigen Lösungen zu bestimmen — dabei muss die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex von Wasser berücksichtigt werden.