屈折くっせつ

光ひかりの屈折くっせつにより、水面すいめんを境さかいにしてペンが折おれ曲まがっているように見みえる。

プラスチックのブロックを通過つうかする光ひかり束たば

屈折くっせつ（くっせつ、英えい: refraction）とは、界面かいめんにおいて、波なみ（波動はどう）が進行しんこう方向ほうこうを変かえることである。異ことなる媒質ばいしつを通とおるときに、波なみの周波数しゅうはすうが変かわらずに進すすむ速度そくどが変かわるため進行しんこう方向ほうこうが変かわる（エネルギー保存ほぞんの法則ほうそくや運動うんどう量りょう保存ほぞんの法則ほうそくによる）。

光ひかりの屈折くっせつがもっとも身近みぢかな例れいであるが、例たとえば音波おんぱや水みずの波動はどうも屈折くっせつする。波なみが進行しんこう方向ほうこうを変かえる度合どあいとしてはホイヘンスの原理げんりを使つかったスネルの法則ほうそくが成なり立たつ。部分ぶぶん的てきに反射はんしゃする振ふる舞まいはフレネルの式しきで表あらわされる。なぜ光ひかりが屈折くっせつするかについては、量子力学りょうしりきがく的てきにファインマンの経路けいろ積分せきぶんによって説明せつめいされる。

概要がいよう

水中すいちゅうの棒ぼうが上うえに曲まがって見みえる図ず

例たとえば、光線こうせんがガラスを通とおると、屈折くっせつして曲まがっているように見みえるが、これはガラスが空気くうきと異ことなる屈折くっせつ率りつを持もっているためである。ガラスの表面ひょうめんに対たいして垂直すいちょくに光ひかりが入射にゅうしゃした場合ばあい、光ひかりの進行しんこう方向ほうこうは変かわらず、速度そくどだけが変化へんかするが、厳密げんみつにはこの場合ばあいも屈折くっせつという。

左ひだりの図ずのように、水中すいちゅうに差さし込こんだ棒ぼうが上方かみがたに曲まがって見みえる現象げんしょうは光ひかりの屈折くっせつで説明せつめいできる。空気くうきの屈折くっせつ率りつは約やく1.0003、水みずの屈折くっせつ率りつは約やく1.3330と異ことなるため、水みずから反射はんしゃした光ひかりは屈折くっせつして目めに届とどく。つまり図ずの棒ぼう上じょうのxに由来ゆらいする光ひかりが水面すいめんで屈折くっせつを起おこすため、Xの見みかけ上じょうの位置いちはYになる。これが水中すいちゅうの棒ぼうが実際じっさいより上方かみがたにあるように見みせる。

屈折くっせつ率りつが大おおきい媒質ばいしつから小ちいさい媒質ばいしつに光ひかりが入はいるときに、入射にゅうしゃ光こうが境界きょうかい面めんを屈折くっせつせず、すべて反射はんしゃすることを全ぜん反射はんしゃという。この原理げんりは光ひかりファイバー等ひとしに使つかわれる。等ひとし方かた的てきな媒質ばいしつから異あや方かた的てきな媒質ばいしつへ波なみが進すすむ場合ばあいは、複ふく屈折くっせつを起おこす。

スネルの法則ほうそく

スネルの法則ほうそくの例れい

詳細しょうさいは「スネルの法則ほうそく」を参照さんしょう

スネルの法則ほうそくは二ふたつの媒質ばいしつ中ちゅうを進行しんこうする波なみの伝播でんぱ速度そくどと、入射にゅうしゃ角かく・屈折くっせつ角かくの関係かんけいを表あらわした法則ほうそく。媒質ばいしつAにおける波なみの速度そくどを$v_{\mathrm {A} }$、媒質ばいしつBにおける波なみの速度そくどを$v_{\mathrm {B} }$、媒質ばいしつAから媒質ばいしつBへの入射にゅうしゃ角かく（またはBからAへの屈折くっせつ角かく）を$\theta _{\mathrm {A} }$、媒質ばいしつBから媒質ばいしつAへの入射にゅうしゃ角かく（またはAからBへの屈折くっせつ角かく）を$\theta _{\mathrm {B} }$とすると、以下いかの関係かんけいが成立せいりつする。

${\sin \theta _{\mathrm {A} } \over {\sin \theta _{\mathrm {B} }}}={v_{\mathrm {A} } \over {v_{\mathrm {B} }}}.$

ここで、${v_{\mathrm {A} } \over {v_{\mathrm {B} }}}$の値ねを媒質ばいしつAに対たいする媒質ばいしつBの相対そうたい屈折くっせつ率りつと定義ていぎし、これを$n_{\mathrm {AB} }$（または$n_{\mathrm {A\rightarrow B} }$）で表あらわす。以上いじょうのことをまとめると

${\sin \theta _{\mathrm {A} } \over {\sin \theta _{\mathrm {B} }}}={v_{\mathrm {A} } \over {v_{\mathrm {B} }}}=n_{\mathrm {AB} }.$

となる（図ずを参照さんしょう）。

フレネルの式しき

詳細しょうさいは「フレネルの式しき」を参照さんしょう

フレネルの式しきは、界面かいめんにおける光ひかりのふるまい（反射はんしゃ・屈折くっせつ）を記述きじゅつする式しきである。屈折くっせつ率りつが$n$の媒質ばいしつから$n'$の媒質ばいしつへ界面かいめんに垂直すいちょくに光線こうせんが入射にゅうしゃすると、入射にゅうしゃ光こうの強度きょうどを$I_{0}$とした場合ばあいの反射はんしゃ光こうの強度きょうど$I$は以下いかのように表あらわされる。

$I=I_{0}\left({\frac {n-n'}{n+n'}}\right)^{2}.$

入射にゅうしゃ面めんの内側うちがわに偏へん光ひからしている光ひかりが、透明とうめいな媒質ばいしつの表面ひょうめんで反射はんしゃされた場合ばあいの入射にゅうしゃ角かくを$i$、屈折くっせつ角かくを$r$とすると、反射はんしゃ光こうの強度きょうどは以下いかのように表あらわされる。

$I=\left({\frac {I_{0}\sin ^{2}(i-r)}{I_{0}\sin ^{2}(i+r)}}\right).$

入射にゅうしゃ面めんに垂直すいちょくな方向ほうこうに偏へん光ひからしている光ひかりの場合ばあいには以下いかのようになる。

$I=\left({\frac {I_{0}\tan ^{2}(i-r)}{I_{0}\tan ^{2}(i+r)}}\right).$

自然しぜん現象げんしょう

複ふく屈折くっせつを示しめす方解石ほうかいせき

虹にじ、蜃気楼しんきろう、幻まぼろし日び、逃にげ水みずのほか、日没にちぼつや日ひの出での時刻じこくが天文学てんもんがく上うえの計算けいさんからずれるという形かたちで現あらわれる。音波おんぱの例れいとしては、特定とくていの天候てんこうに限かぎって遠方えんぽうの鉄道てつどうなどの音おとがはっきり聞きこえるというものがある。これは上空じょうくうに逆転ぎゃくてん層そうが生しょうじ、低温ていおんの空気くうきでは音速おんそくが下さがるため、いったん上空じょうくうに向むかって進すすんだ音波おんぱが屈折くっせつし、再ふたたび地上ちじょうに戻もどってくると説明せつめいされる。

応用おうよう機器きき

レンズ

プリズム

レンズ

凸とつレンズでは通とおした光ひかりを屈折くっせつさせて一いち点てんに集中しゅうちゅうさせ、凹おうレンズでは光ひかりを屈折くっせつさせて並行へいこうに進すすませることによって、観測かんそくしている者ものに実像じつぞうより拡大かくだいや縮小しゅくしょうした像ぞうを見みせる。レンズはカメラ、顕微鏡けんびきょう、望遠鏡ぼうえんきょう、眼鏡めがねなどに使つかわれる。

プリズム

媒質ばいしつは光ひかりの波長はちょうによって異ことなるため、プリズムを出でる光ひかりは波長はちょうの違ちがいにより色いろごとに分散ぶんさんする。この光ひかりの分散ぶんさんが虹にじのようなスペクトルを作つくり出だす。

糖度とうど計けい

試料しりょう液えき（測定そくてい対象たいしょうとなる液体えきたい）に、糖とうと水みず以外いがいが入はいっていないことを前提ぜんていに、水みずに含ふくまれる糖とうの含有がんゆう量りょうによって光ひかりの屈折くっせつ率りつが異ことなる性質せいしつを利用りようし、その試料しりょうの糖度とうどを計はかる。

関連かんれん項目こうもく

• 屈折くっせつ率りつ
• 音速おんそく、光ひかり速度そくど (媒質ばいしつ中ちゅうの波なみの速度そくど)
• 回折かいせつ
• 円えん偏へん光こう二色にしき性せい
• メタマテリアル - 負まけの屈折くっせつ率りつの概念がいねんから、自然しぜん界さかいの物質ぶっしつには無ない振ふる舞まいをする人工じんこう物ぶつ。
• 高こう屈折くっせつ率りつ高分子こうぶんし
• 偏へん光こう
• 粒子りゅうしと波動はどうの二に重じゅう性せい

外部がいぶリンク

• わかりやすい高校こうこう物理ぶつりの部屋へや - 波なみの屈折くっせつ
• 物理ぶつりのかぎしっぽ - 屈折くっせつの法則ほうそく
• 複ふく屈折くっせつを測定そくていできるPA/WPAシリーズの測定そくてい原理げんり、装置そうち構成こうせい、測定そくてい事例じれいについて（株）かぶしきがいしゃフォトニックラティス