屈折屈折の概要

光の屈折がもっとも身近な例であるが、例えば音波や水の波動も屈折する。波が進行方向を変える度合いとしてはホイヘンスの原理を使ったスネルの法則が成り立つ^[2]。部分的に反射する振る舞いはフレネルの式で表される。なぜ光が屈折するかについては、量子力学的にファインマンの経路積分によって説明される^[3]^[4]。

概要

例えば、光線がガラスを通ると、屈折して曲がっているように見えるが、これはガラスが空気と異なる屈折率を持っているためである。ガラスの表面に対して垂直に光が入射した場合、光の進行方向は変わらず、速度だけが変化するが、厳密にはこの場合も屈折という。

左の図のように、水中に差し込んだ棒が上方に曲がって見える現象は光の屈折で説明できる。空気の屈折率は約1.0003、水の屈折率は約1.3330と異なるため、水から反射した光は屈折して目に届く。つまり図の棒上のxに由来する光が水面で屈折を起こすため、Xの見かけ上の位置はYになる。これが水中の棒が実際より上方にあるように見せる。

屈折率が大きい媒質から小さい媒質に光が入るときに、入射光が境界面を屈折せず、すべて反射することを全反射という。この原理は光ファイバー等に使われる^[2]。等方的な媒質から異方的な媒質へ波が進む場合は、複屈折を起こす^[5]。

スネルの法則

詳細は「スネルの法則」を参照

スネルの法則は二つの媒質中を進行する波の伝播速度と、入射角・屈折角の関係を表した法則。媒質Aにおける波の速度を $v_{\mathrm {A} }$

複屈折を示す方解石

虹、蜃気楼、幻日、逃げ水のほか、日没や日の出の時刻が天文学上の計算からずれるという形で現れる。音波の例としては、特定の天候に限って遠方の鉄道などの音がはっきり聞こえるというものがある。これは上空に逆転層が生じ、低温の空気では音速が下がるため、いったん上空に向かって進んだ音波が屈折し、再び地上に戻ってくると説明される^[2]。

脚注

^ 文部省、日本分光学会『学術用語集分光学編』（増訂版）培風館、1999年。ISBN 4-563-04567-5。 ^{[リンク切れ]}
^ ^a ^b ^c ^d 斉藤晴男兵藤申一 (1993年). 高等学校物理IB. 啓林館
^ R. P. Feynman "Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics" Rev. Mod. Phys. 20 (1948) 367.
^ R. P. Feynman "Space-Time Approach to Quantum Electrodynamics" Phys. Rev. 76, (1949) pp.769-89
^ “複屈折とは”. ユニオプト株式会社. 2017年1月2日閲覧。
^ “フレネルの反射公式”. コトバンク. 2017年1月1日閲覧。
^ “屈折計ってどんな装置？”. 京都電子工業株式会社. 2017年1月2日閲覧。