この記事では波動の分野で学ぶ「光の屈折」の性質について解説していきます。 屈折はレンズの分野など、波動の分野でかなりよく出題される概念なので、定義をきちんと理解して問題に臨みたいところです。 これから物理を学ぶ高校生 物理を得点源にしたい受験生 に向けて、できるだけ噛み砕いてわかりやすく解説していきますので、ぜひ最後まで楽しんで学んでいきましょう!
光の進む速度が速い(位相が進む)方位をその位相子の「進相軸」,反対に遅い(位相が遅れる)方位を「遅相軸」と呼びます.進相軸と遅相軸とを総称して,複屈折の「主軸」という呼び方もします. たとえば,試料Aと試料Bにそれぞれ光を透過させたとき,試料Aの方が大きな位相差を示したとすると,「試料Aは試料Bよりも複屈折が大きい.」といいます.また,複屈折のある試料は「光学的に異方性」があるといい,ガラスなどのように普通の状態では複屈折を示さない試料を「等方性試料」といいます. 高分子配向膜,液晶高分子,光学結晶,などは,複屈折性を示します.また,等方性の物質でも外部から応力を加えたりすると一時的に異方性を示し(光弾性効果),複屈折を生じます. 以上のように複屈折の大きさは,位相差として検出・定量化することが出来ます.この時の単位は,一般に波の位相を角度で表した値が使われます.たとえば,1波長の位相差があるときには「位相差=360度(deg. )」となります.同じように考えて,二分の一波長板の位相差は180度,四分の一波長板は90度となります. しかし,角度を用いた表現では,360度に対応する波長の長さが限定できないと絶対的な大きさは表せないことになります.角度の表示は,1波長=360度が基準になっているからです.このため,測定光の波長が,He-Neレーザーの633 nmの時と,1520 nmの時とでは,「位相差=10度」と同じ値を示しても,絶対量は違うことになってしまいます. この様な紛らわしさを防ぐために,位相差を波長で規格化して,長さの単位に換算して表すこともあります.この時の単位は普通,「nm(ナノメーター)」が用いられます.例えば,波長633 nmで測定したときの位相差が15度だったときの複屈折量は,
15 x 633 / 360 = 26. 4 (nm)
となります.このように,複屈折量の大きさを,便宜上,位相差の大きさで表すことが一般的になっています. 光の屈折ってなに？わかりやすく解説 | 受験物理ラボ. 複屈折量を表すときには,同時に複屈折主軸の方位も重要な要素となります.逆に言えば,複屈折量を測定したいときには,その試料の複屈折主軸の方位を知らないと大きさを規定できない,といえます.複屈折主軸の方位を表すときの単位は,角度(deg. )を用いるのが普通です.方位は,その測定器の持つ方位軸(例えば,定盤に平行な方位を0度とする,というように分かりやすい方位を決める)を基準にするのが一般的です.
3 nm の光についての屈折率です。 閉じる
絶対屈折率 真空からその物質へ光が進むとき
空気
1. 0003
ほとんど曲がらない
水
1. 3330
一番上の図と同じ感じ
ガラス
1. 4585
水のときより曲がる
ダイヤモンド
2. 4195
ものすごく曲がる
空気の絶対屈折率は真空と同じ、とする場合が多いです。
絶対屈折率が大きい媒質は光速が遅いということです。各媒質での光速は、②式より以下のように表せます。
媒質aでの光速
v a = \(\large{\frac{c}{\ n_\rm{a}}}\)
たとえば、水における光速は真空中の 光速 を水の絶対屈折率で割れば導き出せます。
v 水 = \(\large{\frac{c}{\ n_水}}\) = \(\large{\frac{3. 0\times10^8}{\ 1. 3330}}\) ≒ 2.
屈折率一覧表 – 薄膜測定のための屈折率値一覧表 ". 2011年10月4日 閲覧。
" ". 様々な物質の波長ごとの屈折率を知ることが出来る。(英語). 2015年6月30日 閲覧。
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