屈折とは？光・音の波が曲がる仕組みと屈折率・スネルの法則

屈折とは何かを光・音の例や屈折率・スネルの法則、レンズやプリズムでの応用まで図解でやさしく解説。

屈折とは、波の速度の変化による波の方向の変化のことです。波の例としては、音波や光の波があります。屈折は、波がある透明な媒体から別の透明な媒体を通過するときに最もよく見られます。媒体の種類には、空気や水などがあります。例えば、光が空気中から水中へ入ると速度が遅くなり、その結果として進行方向が変わります。

屈折の直感的な理解

屈折を直感的に説明する方法の一つは、車の例です。車が斜めに砂利の道（抵抗の大きい面）に突っ込むと、先に接したタイヤが遅くなり車体がその方向へ曲がります。光も同様に、片方の媒体での速さが変わることで進行方向が変わります。日常の例としては、コップに入れた水に差したストローが水面で折れ曲がって見える現象があります。これは光が空気から水へ進む際に屈折するためです。

スネルの法則（Snellの法則）

屈折の角度の大小関係はスネルの法則で与えられます。入射側の屈折率を n1、屈折側の屈折率を n2、入射角を θ1、屈折角を θ2 とすると、

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

この式から、どのくらい曲がるか（屈折角）が屈折率の比によって決まることがわかります。屈折率の大きい方へ入ると光は法線側（垂直方向）に曲がり、屈折率の小さい方へ出ると元の方向から外れる向きに曲がります。光がより密度の高い媒体に入ると、光線は法線に向かって「曲がる」ようになります。逆に、率の低い、つまり密度の低い媒体に戻ると、入ってきたときと同じ角度で曲がります（入射面と出射面が平行であれば）。スネルの法則は屈折率を利用して屈折量を計算します。

屈折率の定義と性質

光学では、物質の屈折率または屈折率nは、光や他の放射がどのようにその媒体を通過するかを記述する無次元数です。屈折率は次のように定義されます。

n = c v , {displaystyle n={frac {MATHRM {c}}.}{v}},}

ここで、cは真空中の光の速度、vは媒体中の光の位相速度です。屈折率は通常波長に依存し、波長によって値が変わるため、色（波長）によって屈折の度合いが異なります。さらに、吸収のある媒体では屈折率は複素数になり、虚部が吸収（減衰）を表します。

分散とプリズム、虹

屈折率が波長に依存する性質を分散と呼びます。プリズムの中で光が屈折すると、短波長（青）が長波長（赤）よりも一般により大きく曲がるため、白色光はスペクトルに分かれていきます。これがプリズムによる色の分離であり、同じ原理は雨滴で起こる光の分散により虹を作ります。プリズムの例としては、プリズムの使用により、ある波長の光が他の波長よりも多く曲がるため、虹の色に分裂する現象が観察されます。

臨界角と全反射

入射側の屈折率が大きく、出射側の屈折率が小さい場合、入射角を大きくすると屈折角は90°に近づき、ある角度（臨界角）を超えると屈折ではなく全て反射されます。これを全反射（全内部反射）と呼び、光ファイバーやプリズム型反射素子の原理として利用されています。臨界角 θc は次のように表されます（n1 > n2の場合）。

sin θc = n2 / n1

応用例

• レンズは屈折を利用して像を結び、眼鏡、カメラ、顕微鏡、望遠鏡などで光を集めたり拡大したりします。
• 光ファイバー通信は全反射を利用して光を長距離伝送します。
• プリズムや分光器は分散を利用して光を波長ごとに分離し、スペクトル解析に用いられます。
• 表面コーティングは屈折率の制御によって反射や透過を調整します。
• 日常的な現象として、コップに差したストローの見かけの折れ曲がりや、水底の見え方の変化などが挙げられます。

注意点と補足

・屈折は波動としての性質（位相速度の変化）に基づく現象であり、波長が媒体の微細構造と同程度の場合は散乱や複雑な干渉が起こることがあります。
・物質によっては単純な実数の屈折率で表せない場合があり、周波数依存性（分散）や複素屈折率（吸収を含む）を考慮する必要があります。
・光だけでなく、音波や水面波など他の種類の波も媒質の性質が変わる境界で屈折します（例：空気中の音が温度や風で曲がる現象）。

以上が屈折の基本的な仕組みと主な性質、応用例です。興味があれば、さらに詳しい数式展開や波動光学における位相速度・群速度の違い、複素屈折率の導入などについても説明できます。

質問と回答

Q:屈折とは何ですか?

Q: 屈折はどのように作用するのですか?

Q: 屈折の仕組みの例として、どのようなものがありますか?

Q: 光学指数、屈折率とは何ですか?

Q:光学的指標を利用した法則は何ですか?

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