物質の屈折率と密度の関係

質問

物質の屈折率が密度に比例するのは
どのように説明することができますか？
ファインマン物理学を読んでいるのですが
どうもイメージが沸きません。
どなたか教えてください。

回答No.5

siegmund

Hikaru99 さんの名回答を見ていて(まさに光ると言うお名前，名回答も納得)，
私の回答がどうも不十分だったことに気づきました．
普通の光(可視光線)しか頭になかったもので...

物質中の電磁波がどうなるかは，物質が電磁波に対してどのように応答するかに
よります．
電磁波は電場と磁場の絡み合ったものですが，
磁場に対しては金属や強磁性体などを除いてはあまり応答しないので，
主に電場(電磁波だから振動する電場)に対する応答が問題になります．

固体内のいろいろな要素が電場に対して応答するので，事情はかなり複雑です．

○ 電子が原子核に対して原子内で相対的に変位する．
○ 電荷を持つイオンが他のイオンに対して相対的に変位する．
○ 構成分子が電気的双極子モーメントを持っているときに，
　 電場によってその方向が変わる．

などがあります．
振動数が低い内はどの要素も電場についていきますが，
振動数が高くなると電場の変化に追いついていけなくなり，
電場の方向に従って応答し終えたときには電場の方向が逆転している，
などということも起こります．
Hikaru99 さんの書かれているように，
赤い光よりも紫の光(こちらのほうが振動数が高い)の方が屈折率は大きいのですが
(どちらの場合も１より大きい)，
もっと振動数が高くなると紫外線とＸ線の境界あたりで大きな変化が起き，
屈折率は激減して１より小さくなります．
こうなると光の速度は真空中より速くなります．

光速が真空中より大きくなると具合が悪いような気がしますが，
ここで言っている光速は位相速度で，信号や情報や力の伝達はこの速度では
おこなわれません．
いわゆる，「群速度」が信号などの伝達の速度になります．
上のように位相速度が真空中の光速を越える場合でも，
群速度は真空中の光速より小さくなります．
真空中では，位相速度＝群速度です．

正弦波がやってきただけでは，同じことの繰り返しですから，
いつ信号源を出発した波なのか区別がつきません．
そういうわけで，位相速度では信号は伝わらないのです．
信号を送るためには変調などする必要があり，
それが伝わる速さが群速度です．

他に，プラズマ中の電磁波などが位相速度が真空中の光速を越える例として
知られています．

お礼

さらに詳しい説明有難うございます。

電磁波が入射した際の物質の応答にはいくつかの種類があるのですね。

これまで議論していた「光速」とは波の位相速度のことだったのですね。群速度についてn=c/vという関係が成り立たないとすると、群速度と物質の性質との間にはどのような関係が成り立つのでしょうか？

例えば光を一瞬だけある厚さをもった物質に当てた場合、光が物質を通過して出てくるまでの時間はどうなるでしょうか。ちょっと混乱してきました。