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Für die quantitative Behandlung der oben erklärten Zusammenhänge ist die Strahlenoptik gut geeignet. Im snelliusschen Brechungsgesetz wird sie angewendet.

Ein Lichtstrahl, der in einem optisch dichteren Medium (Brechungsindex ${\displaystyle n_{1}}$) sich ausbreitet und auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium (Brechungsindex ${\displaystyle n_{2}}$) fällt, wird gemäß dem snelliusschen Brechungsgesetz^[1]

vom Lot weg gebrochen – der Ausfallswinkel ${\displaystyle \theta _{2}}$ des Strahls ist größer als sein Einfallswinkel ${\displaystyle \theta _{1}}$. Dieser Fall entspricht dem grünen Strahlenweg in der nebenstehenden Abbildung.

Vergrößert man den Einfallswinkel ${\displaystyle \theta _{1}}$, so verläuft der gebrochene Strahl bei einem bestimmten Wert parallel zur Grenzfläche (gelber Strahlenweg). Dieser Einfallswinkel wird Grenzwinkel der Totalreflexion oder auch kritischer Winkel ${\displaystyle \theta _{\mathrm {c} }}$ genannt. Der Wert dieses Winkels lässt sich aus den beiden Brechungsindices berechnen:^[2]

Das snelliussche Brechungsgesetz gilt nur, wenn der Lichtstrahl ins andere Medium übertritt, um dabei gebrochen zu werden. Für Einfallswinkel größer ${\displaystyle \theta _{\mathrm {c} }}$ würde man damit Ausfallswinkel größer 90° errechnen, was zu dieser Vorgabe im Widerspruch steht. Für ${\displaystyle \theta >\theta _{\mathrm {c} }}$ gilt das Reflexionsgesetz. Der Ausfallswinkel ist wie bei der „normalen, externen“ Reflexion gleich dem Einfallswinkel (roter Strahlenweg). Anstatt Brechung findet (Total-)Reflexion statt.