光の屈折・干渉・回折・散乱

1．光の屈折とは

光には、異なる物質の境界面で曲がる性質があります。このような性質のことを、光の「屈折」と呼びます。
光は、空気や水などの物質の内部を波として伝わります。物質の内部では、光は波長と速度が一定になります。しかし、異なる物質の境界面では、波長と速度が変化するため、光の進む方向が曲がるのです。

光の屈折の程度は、「入射角」と「屈折率」によって決まります。「入射角」とは、光が境界面に当たる角度です。「屈折率」とは、ある物質中の光の速度と真空中の光の速度の比率です。屈折率は、光の波長ごとに異なり、長波長の光は屈折率が小さく（＝曲がりにくい）、短波長の光は屈折率が大きい（＝曲がりやすい）です。

入射角と屈折率の関係性は、「スネルの法則」によって表されます。
・n1 * sinθ1 = n2 * sinθ2 (n1：入射側の媒質の屈折率, n2：透過側の媒質の屈折率, θ1：入射角, θ2：屈折角)

なお、光が屈折率の大きい物質から小さい物質に向かって入射する時に、入射角が一定を超えると、光は屈折せず、「全反射」と呼ばれる現象が起こります。「全反射」は、入射角が、臨界角（屈折角が90°になる入射角）を超えた時に起こります。

光の屈折は、私たちの日常生活でも様々な場面で観察することができます。例えば、水中にある物体は、歪んで見えることがあります。これは、水面で屈折が生じているためです。
眼鏡のレンズも、光の屈折を利用しています。眼鏡をかけることで、屈折により光が焦点で収束し、視力が改善されます。また、ダイヤモンドの輝きも、光の屈折が影響しています。

2．光の干渉とは

光は、複数の波の重ね合わせによって新しい波形が出来ることがあります。このような光の性質のことを、「干渉」と呼びます。干渉は、同じ波源から出た波や、同じもしくは近い周波数を持つ波のときに顕著に現れます。

光の干渉には、二つの基本的なパターンがあります。
・強め合い
同じ波長の波が、位相が同じ状態で重なり合うと、波の振幅が大きくなり、強め合います。なお、干渉による光の強め合いのことを、増加的干渉、もしくは建設的干渉とも呼びます。

・弱め合い
同じ波長の波が、位相が逆の状態で重なり合うと、波の振幅が小さくなり、弱め合います。なお、干渉による光の弱め合いのことを、減殺的干渉もしくは相殺的干渉とも呼びます。

光の干渉は、私たちの日常生活でも様々な場面で観測することが出来ます。
例えば、シャボン玉の色は、光の干渉によって起こります。シャボン玉の膜は非常に薄いため、光は膜の内部で反射を繰り返します。このとき、光の干渉によって波が強め合ったり弱め合ったりされるため、シャボン玉は様々な色に見えます。

CDやDVDの輝きも、光の干渉によって起こります。CDやDVDの表面には、非常に小さな凹凸があります。この凹凸によって、反射した光が互いに干渉しあい、虹色に見えます。

パソコンの液晶などに付ける反射防止フィルムも、光の干渉を利用しています。反射防止フィルムには、非常に薄い複数の層がコーティングされています。これらの層は、光の波長よりも薄い厚さに設計されており、光の干渉を利用して反射光を打ち消し合うように働きます。具体的には、フィルムの表面と裏面で反射した光が干渉を起こし、特定の波長の光が打ち消し合います。これにより、反射光が減少して画面が見やすくなるのです。

3．光の回折とは

光の回折とは、光が障害物にぶつかったとき、その障害物の背後や側面などに回り込む現象です。
光の回折は、光が波の性質を持つため起こります。波は、障害物にぶつかったとき、その障害物を回り込むように伝播します。

光の回折は、以下の2種類に分けられます。

・フレネル回折
フレネル回折とは、障害物と観測点の距離が有限である場合に起こる回折です。フレネル回折は、光路差を考慮して計算されます。

・フラウンホーファー回折
フラウンホーファー回折とは、障害物と観測点の距離が無限遠である場合に起こる回折です。フラウンホーファー回折は、光路差が無限小であるとして計算されます。

光の回折は、日常生活においても、様々な場面で観測することが出来ます。例えば、光が細い隙間や穴を通過すると、その先で広がることがあります。また、レーダー波は、障害物を越えてその背後の物体を検知できることがあります。
ラジオ波も、建物や山などの障害物に遮られても、ある程度は回折して届く性質があるため、山の影になった場所でもラジオを聴くことが出来ることがあります。

4．光の散乱とは

光を物質に入射させた時、これを吸収すると同時に光を四方八方に放出する現象が観測されることがあります。このような現象のことを、光の「散乱」といいます。

光の散乱は、光の波長と物質の粒子の大きさによって、大きく分けて2つの種類に分けられます。

・レイリー散乱
レイリー散乱は、光の波長が物質の粒子の大きさよりもはるかに小さい場合に起こる散乱です。レイリー散乱の強度は、光の波長に強く依存しており、特に短波長の光がより強く散乱されます。空が青く見えるのは、空気中の窒素や酸素などの分子が、太陽光をレイリー散乱するためです。太陽光は、赤、橙、黄、緑、青、藍、紫の7色の複色光ですが、短波長の光ほどレイリー散乱されるため、空は青く見えるのです。

・ミー散乱
ミー散乱は、光の波長が物質の粒子の大きさと同程度またはそれよりも大きな場合に起こる散乱です。ミー散乱は光の波長にあまり依存せず、広い範囲の波長で散乱が見られます。

光の散乱は、自然界の様々な現象に関係しています。例えば、以下のようなものが挙げられます。

・空の青色
空が青いのは、空気中の窒素や酸素などの分子が、太陽光をレイリー散乱するためです。太陽光は、赤、橙、黄、緑、青、藍、紫の7色の複色光ですが、レイリー散乱では、波長が短い光ほど散乱されやすいという特徴があるため、散乱された青い光が私たちの目に届き、空は青く見えます。

・夕焼けの赤色
夕焼けの赤色も、レイリー散乱によって説明されます。夕方になると、太陽が地平線近くに移動し、太陽光が地球の大気を通過する距離が長くなります。このとき、レイリー散乱によって、波長が短い光ほど散乱されやすいため、夕焼けは赤色に見えます。
なお、空の青色と夕焼けの赤色の違いは、太陽が大気を通る距離の差によって説明されます。夕方、太陽が地平線近くに位置する時、太陽光が大気中を移動する距離が長くなります。すると、散乱された青い光は、私たちの目に届く前にほとんど見えなくなるため、夕焼けは赤く見えます。

・雲の白さ
雲の白さは、ミー散乱によって説明されます。雲は、水滴や氷の粒子が集合体であり、その粒子径は光の波長と同程度またはそれより大きいため、すべての波長の光が同じように散乱されます。そのため、雲は白く見えるのです。