電磁波の屈折 | 屈折率

電磁波の屈折

電磁波の屈折とは、異なる屈折率を持つ二つの媒体間を通過する際に、電磁波の進行方向が変化する現象です。この現象は、異なる媒体での光の速度の変化により、波長と伝播方向が影響を受けるために発生します。媒体の屈折率（n）は、真空中の光の速度（c）とその媒体中の光の速度（v）の比として定義されます：n = c / v。

スネルの法則は、入射角（θ₁）、屈折角（θ₂）および二つの媒体の屈折率（n₁、n₂）の関係を記述します：n₁ * sin(θ₁) = n₂ * sin(θ₂)。電磁波が屈折率が低い媒体（n₁）から屈折率が高い媒体（n₂）へ移動するとき、屈折角（θ₂）は入射角（θ₁）よりも小さくなります。これにより、波は界面の法線に向かって曲がります。逆に、波が屈折率が高い媒体から屈折率が低い媒体へ移動すると、屈折角は入射角よりも大きくなり、波は法線から離れて曲がります。

屈折の実用的応用

• レンズ：材料の屈折特性は、レンズの設計に利用され、光を集中させたり拡散させたりして画像を形成します。レンズは、カメラ、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡など、様々な光学デバイスに使用されます。
• ファイバー光学：屈折は、光信号がガラスやプラスチックの細い繊維を通じて伝送されるファイバーオプティック通信システムにおいて不可欠です。繊維材料とそれを囲むクラッディングの屈折特性は、光が長距離にわたって最小限の損失で伝播することを可能にする全反射を生み出します。
• 大気現象：屈折は、蜃気楼、虹、天体の見かけ上の位置などの大気現象において役割を果たします。例えば、地球の大気を通過する光の曲がりは、星がその真の位置からわずかにシフトして見える原因となります。
• リモートセンシング：屈折は、地球の大気中での電波の伝播に影響を与え、レーダーシステムやその他のリモートセンシング技術の性能に影響を及ぼすことがあります。屈折の影響を理解し、補償することで、これらのシステムの精度と信頼性を向上させることができます。

屈折率

媒体の屈折率（n）は、光、または一般に電磁波がその媒体を通過する際の伝播を記述する無次元量です。これは、真空中の光の速度（c）とその媒体中の光の速度（v）の比として定義されます：n = c / v。屈折率は、光が他の媒体からその媒体に入るか出るかする際に、どの程度曲がるか、つまり屈折するかを決定します。屈折率が高いほど、光はその媒体で遅く移動し、入るか出るかする際により強く曲がります。

以下は、その近似的な屈折率を持つ材料の5つの例です：

• 空気：空気の屈折率は1に非常に近く（標準温度と圧力で約1.0003）、光は他の媒体、例えばガラスや水から空気に入るか出るかする際にわずかにしか曲がりません。
• 水：水の屈折率は約1.33です。光は水に入るか出るかする際に、空気と比べてより顕著に曲がります。これは、水中に沈められた物体が実際の位置から歪んで見えたり、シフトしたりする理由です。
• クラウンガラス：クラウンガラスは、比較的低い屈折率を持つ光学ガラスの一種で、通常約1.52です。眼鏡、カメラ、その他の光学デバイスのレンズ製造によく使用されます。
• フリントガラス：フリントガラスは、通常1.60から1.70の範囲の高い屈折率を持つ別の光学ガラスのタイプです。その高い屈折率と分散特性のため、クラウンガラスと組み合わせて使用され、光学システムの色収差を減らす非球面レンズを作るのにしばしば利用されます。
• ダイヤモンド：ダイヤモンドは、約2.42の高い屈折率を持っています。この特性と高い分散は、ジュエリーとして使用される際にダイヤモンドを切断し磨くことで生じる輝きや火花に寄与します。高い屈折率は、光の顕著な曲がりを引き起こし、ダイヤモンドに関連するスパークルや反射を作り出すのに役立ちます。