光が曲がる現象（屈折と回折）

・光は基本的に直進する性質がある。
・しかし、ときどき曲がる現象が見られる。
　屈折と回折という２種類の現象がある。

・屈折
　　・光が進行速度が違う場所をまたがって進む場合、
　　　光が遅く進む方向に曲がる。（図１）
　　・これは車の両輪のたとえでよく説明がされる。
　　　車の右側が遅い場所、左側が速い場所を進むと、
　　　右側に曲がる。（図２）
　　・蜃気楼はこの現象である。
　　　大気の温度の違う中を進むと、
　　　暖かい空気（密度が薄い、光の速度が速い）と
　　　冷たい空気（密度が濃い、光の速度が遅い）との間で、
　　　冷たい空気の側に曲がる。
　　　曲がってから目に入った光は、直進して来たものと感じ
　　　られ、実際とは違った場所に見える。（図３）
　　・空気中から水に入った光が曲がるのも、この現象である。
　　　空気と水を比べると、空気中の速度が速く、水中の速度が
　　　遅い。
　　　光が左斜めから入った場合、光の右側が先に、速度の遅い
　　　水に到達するので、右に曲がる。
　　　これも両輪の車に例えてみた。（図４）

・屈折のたとえに対する疑問への答え
　Ｑ）両輪の車のたとえでは、右と左の車輪の間に幅があるので、
　　　わかるが、幅がない光線では、このたとえでは説明できない。
　Ａ）「光の粒と波の性質を直感で理解する」でも説明したが、
　　　光の粒は直進して来たように見えて、実は、いろんな経路を
　　　通ってきている。上記の記事の図９で説明すると、
　　　Ｉにある光の粒は、Ｆ－Ｅ－Ｆ－Ｇ－Ｈ－Ｉという経路を
　　　通ったかも知れないし、Ｆ－Ｇ－Ｆ－Ｇ－Ｈ－Ｉという
　　　経路を通ったかも知れない。
　　　だから、幅がない光線に見えても、実は、幅のある経路を
　　　通った結果、直線の光に見えているのである。

・重力によって光が曲がることへの適用
　　・重力によって光が曲がることも、これに似た現象である。
　　・重力があると、空間にひずみが生じる。
　　　つまり、空間の密度に濃淡が生じる。
　　・重力のある側の空間密度が高くなる。
　　・密度が大きい方が光の速度が遅くなる。（図１）
　　・その結果、速度が遅い方に光が曲がる。（図２）
　　・光の粒の存在確率が空間の濃い方に偏るのである。

・波長が短い光は屈折しやすい
　　・「光と物質」でも説明したが、
　　　物質を通る光は、原子の中を素通りするのではなく、
　　　原子の電子に光が吸収され、電子の振動となって伝わる。
　　・波長が短いということは、振動数が多い。
　　・電子は質量があるので、速い振動に付いていくのに
　　　時間がかかる。
　　・速い振動ほど、時間がかかるので、波長の短い光ほど、
　　　進む速度が遅くなる。
　　・物質間の速度の差が大きくなるので、屈折率も大きくなる。
　　・光の波長の屈折率の違いによる現象
　　　　・プリズムによる分光
　　　　・虹



・回折
　　・回折とは、直進してきた波が、スリットの狭い穴を通るとき、
　　　スリットの影になる部分に波が回り込む現象である。（図５）
　　　これは、水面の波など、波全般に見られる。
　　　光（電磁波）でも起こる。
　　・光の粒は進んで来た方向に関係なく、あらゆる方向に移動する。
　　　図６では、スリットを抜けた１００粒（図６－１）が、
　　　次の瞬間、あらゆる方向に散らばる。（図６－２）
　　　そして、さらに散らばり続ける（図６－３）
　　　これが回折が起こる仕組みである。

・波長が短い光は回折しにくい
　　・波長が短い波ほど、回折が起こりにくい性質がある。
　　・スリットにも幅があり、波長が短いほど、相対的にスリット
　　　が広いということになる。
　　・幅があるとスリットを通った波同士で干渉を起こす。
　　・図７では、進行方向では、波の重ね合わせで、波が強め合うが、
　　　進行方向の直角方向では、波の重ね合わせで、波が弱め合う。
　　　これが回折が起こりにくくなる仕組みである。